CN109059800B - 一种三维重建装置的光源位置校准方法 - Google Patents

一种三维重建装置的光源位置校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维重建装置的光源位置校准方法，包括光源组、相机、控制器、平面模板以及图像处理器，其所提供的三维重建装置的光源位置校准包括了三个环节，其在运算环节下，可以通过内置的三维重建算法，调整算法中的光源位置参数，利用在拍摄环节以平面模板为对象拍摄的一组照片对平面模板进行三维重建，通过重建结果确定最佳光源位置参数，可以减少光源与相机的安装误差对还原精度的影响，有效提高三维重建的质量。

Description

一种三维重建装置的光源位置校准方法
技术领域
本发明涉及三维重建相关技术技术领域，尤其涉及一种三维重建装置的光源位置校准方法。
背景技术
如今三维重建装置广泛运用于生产实践与日常生活中。目前，一种常见的三维重建方式是通过物体在不同光照条件下的灰度差异估计物体表面法向量，其优势是对纹理细节的恢复能力突出，但是对光源参数的标定要求高，在还原精度受到光源与相机安装误差的影响，因此需要设计一种以光源与相机安装误差对还原精度的影响的光源标定方法。
发明内容
技术问题：为了解决上述存在的问题，本发明提供一种三维重建装置的光源位置校准方法，包括光源组、相机、控制器、平面模板以及图像处理器，可以减少光源与相机的安装误差对还原精度的影响，
技术方案：本发明是一种三维重建装置的光源位置校准方法，所述三维重建装置包括光源组、相机、控制器、平面模板以及图像处理器，其中，相机位于中间，光源组包括光源一、光源二、光源三、光源四分别位于相机的4边，平面模板位于相机和光源组的上方；
所述三维重建装置的光源位置校准方法包括拍摄环节、准备环节和运算环节；拍摄环节下由相机拍摄，获得平面图像，在准备环节中，将拍摄的平面图像进行灰度化处理，运算环节获得误差系数取最小值时的偏移坐标记为最适坐标；运算环节结束后如果所述的检测步长大于2像素，则将所述的检测网格中与所述的最适坐标重合的格点距离大于检测步长的格点删除；将所述的检测步长减半并在所述的检测网格中添加新的格点；所述的检测网格在添加了所述的格点后，相邻格点的距离为检测步长，并且所述的检测网格面积不增加；随后重复运算环节；运算环节结束后如果所述的检测步长小于2像素，则将所述的最适坐标记为最佳偏移坐标。
其中：
所述的拍摄环节为：控制器控制光源组内部的各个光源依次点亮，并在每个光源点亮后立刻控制相机拍摄放置于所述的光源组与所述的相机前方的所述的平面模板，获得的一组照片称为第一平面图像。
所述的准备环节以所述的第一平面图像所在平面为xy平面，以第一平面图像左上角为原点建立三维直角坐标系；在所述的图像处理器设置检测步长，沿x,y轴方向建立平行于xy平面的检测网格，相邻格点间距为所述的检测步长，所述的三维直角坐标系的z轴经过其中某一格点之一，相机位置与所述的检测网格共面，并且所述的检测网格向z=0平面的投影全部位于所述的第一平面图象以内。
所述的运算环节下，图像处理器将偏移坐标的(x,y)坐标依次设为所述的检测网格中每一个格点的(x,y)坐标，将所述的偏移坐标的z坐标设为相机与所述的平面模板的距离；根据所述的图像处理器内置的三维重建算法以及所述的第一平面图像对所述的平面模板进行三维重建，获得第一平面模型；将所述的第一平面模型垂直投影到x-y平面，并把投影区域沿x、y轴均匀划分为尺寸为m*n的误差网格；第一平面模型中与所述的误差网格格点有相同的(x,y)坐标的点的集合记为第一点云；
运算环节下图像处理单元将所述的第一点云在所述的三维直角坐标系中拟合成一个平面，称为第二平面；计算所述的第一点云中所有的点与所述的第二平面的距离的平方和，称为误差系数；比较所述的偏移坐标位于所述的检测网格中每一格点时得到的误差系数，记录误差系数最小值，将所述的误差系数取最小值时的偏移坐标记为最适坐标。
所述的光源组包含4个光源，安装在边长为s的正方形的4条边的中点；所述的相机（2）安装在所述的正方形中心且其光轴方向垂直于所述的正方形；在拍摄时，所述的各个光源有且只有一个处于点亮状态；各个光源的亮度相同并且彼此间的距离可以精确地测量。
所述的图像处理单元通过所述的第一平面图象中的灰度信息、所述的光源组中光源之间的距离、所述的相机的坐标以及其与所述的平面模板之间的距离计算出所述的第一平面模型。
所述的第一平面图像包含有4张图片，将所述的4张图片灰度化后得到4张灰度图，4张灰度图中同一位置的像素对应了平面模型中的同一点；设所述的灰度图尺寸为m*n像素，以所述的灰度图左上角的像素为原点，水平向右为y轴方向，垂直向下为x轴方向，朝向所述的相机的方向为z轴正方向建立直角坐标系；设在所述的平面模板中1毫米的长度在所述的灰度图中对应r像素，所述的相机与所述的平面模板距离为d毫米，则在所述的直角坐标系中所述的相机坐标为(m/2,n/2,d*r)；
所述的灰度图中，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
表示第k张灰度图的灰度矩阵，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
表示所述的灰度图中第i行第j列的像素在所述的直角坐标系中的坐标，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
表示第k个光源到所述的灰度图中第i行第j列的像素的方向向量，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
表示所述的灰度图中第i行第j列的像素在所述的平面模板上对应的点在所述的直角坐标系中的表面法向量；根据朗伯反射定律，当所述的平面模板的反射光为漫反射时，对于其表面任意一点，有以下方程：
Figure DEST_PATH_FDA0002374579380000023
求解方程可获得
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008A
，进而解出所述的平面模板表面上任意一点的梯度；对梯度进行积分可计算出所述的平面模板表面上任意一点的z坐标，即还原出所述的第一平面模型。
所述的光源组的中心与最佳偏移坐标重合。
有益效果：本发明提供了一种三维重建装置的光源位置校准方法，通过内置的三维重建算法，调整算法中的光源位置参数，利用在拍摄环节以平面模板为对象拍摄的一组照片对平面模板进行三维重建，将重建结果拟合为平面并计算重建结果与平面之间的差异，确定最佳光源位置参数，可以有效修正装置安装过程中的误差对重建结果的影响，提高三维重建的质量。
附图说明
图1为本申请实施例的用于光源位置校准的三维重建装置的机械结构示意图；
附图标号说明：
平面模板1，相机2，光源一3，光源二4，光源三5，光源四6。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种三维重建装置的光源位置校准方法，包括光源组、相机、控制器、平面模板以及图像处理器，其所提供的三维重建装置的光源位置校准包括了三个环节，其在运算环节下，可以通过内置的三维重建算法，调整算法中的光源位置参数，利用在拍摄环节以平面模板为对象拍摄的一组照片对平面模板进行三维重建，通过重建结果确定最佳光源位置参数，可以有效提高三维重建的质量。下面结合附图，对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明。
参考图1所示，本申请机械结构如下，包括平面模板1，相机2，光源一3，光源二4，光源三5，光源四6。
本发明一种三维重建装置的光源位置校准方法具体方法如下，所述装置包括光源组、相机、控制器、平面模板以及图像处理器，其特征在于：所述装置的工作状态包括拍摄环节、准备环节和运算环节；
拍摄环节下：
拍摄环节下控制器控制光源组内部的各个光源依次点亮，并在每个光源点亮后立刻控制相机拍摄放置于所述的光源组与所述的相机前方的所述的平面模板，获得的一组照片称为第一平面图像；
准备环节下：
准备环节下以所述的第一平面图像所在平面为x-y平面，以所述的第一平面图像左上角为原点建立三维直角坐标系；在所述的图像处理器设置合适的检测步长，沿x,y轴方向建立平行于(x,y)平面的检测网格，其特征在于相邻格点间距为所述的检测步长，所述的三维直角坐标系的z轴经过其中某一格点之一，所述的相机位置与所述的检测网格共面，并且所述的检测网格向z=0平面的投影全部位于所述的第一平面图象以内；
运算环节下：
运算环节下图像处理器将偏移坐标的(x,y)坐标依次设为所述的检测网格中每一个格点的(x,y)坐标，将所述的偏移坐标的z坐标设为相机与所述的平面模板的距离；根据所述的图像处理器内置的三维重建算法以及所述的第一平面图像对所述的平面模板进行三维重建，获得第一平面模型；将所述的第一平面模型垂直投影到x-y平面，并把投影区域沿x、y轴均匀划分为尺寸为m*n的误差网格；第一平面模型中与所述的误差网格格点有相同的(x,y)坐标的点的集合记为第一点云；
运算环节下图像处理单元将所述的第一点云在所述的三维直角坐标系中拟合成一个平面，称为第二平面。计算所述的第一点云中所有的点与所述的第二平面的距离的平方和，称为误差系数；比较所述的偏移坐标位于所述的检测网格中每一格点时得到的误差系数，记录误差系数最小值，将所述的误差系数取最小值时的偏移坐标记为最适坐标；
运算环节结束后如果所述的检测步长大于2像素，则将所述的检测网格中与所述的最适坐标重合的格点距离大于检测步长的格点删除；将所述的检测步长减半并在所述的检测网格中添加新的格点；所述的检测网格在添加了所述的格点后的相邻格点的距离为检测步长，并且所述的检测网格面积不增加；随后重复运算环节；
运算环节结束后如果所述的检测步长小于2像素，则将所述的最适坐标记为最佳偏移坐标。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种三维重建装置的光源位置校准方法，其特征在于：所述三维重建装置包括光源组、相机(2)、控制器、平面模板(1)以及图像处理器，其中，相机(2)位于中间，光源组包括光源一(3)、光源二(4)、光源三(5)、光源四(6)分别位于相机(2)的4边，平面模板(1)位于相机(2)和光源组的上方；
所述三维重建装置的光源位置校准方法包括拍摄环节、准备环节和运算环节；拍摄环节下由相机拍摄，获得平面图像，在准备环节中，将拍摄的平面图像进行灰度化处理，通过内置的三维重建算法，调整光源位置参数，利用在拍摄环节以平面模板为对象拍摄的一组照片对平面模板进行三维重建，通过重建结果确定最佳光源位置参数；
运算环节获得误差系数取最小值时的偏移坐标记为最适坐标；运算环节结束后如果检测步长大于2像素，则将检测网格中与最适坐标重合的格点距离大于检测步长的格点删除；将检测步长减半并在检测网格中添加新的格点；检测网格在添加了所述新的格点后的相邻格点的距离为检测步长，并且所述的检测网格面积不增加；随后重复运算环节；运算环节结束后如果所述的检测步长小于2像素，则将所述的最适坐标记为最佳偏移坐标；
所述的拍摄环节为：控制器控制光源组内部的各个光源依次点亮，并在每个光源点亮后立刻控制相机拍摄放置于所述的光源组与所述的相机前方的所述的平面模板，获得的一组照片称为第一平面图像；
所述的准备环节以第一平面图像所在平面为xy平面，以第一平面图像左上角为原点建立三维直角坐标系；在图像处理器设置检测步长，沿x,y轴方向建立平行于xy平面的检测网格，相邻格点间距为所述的检测步长，三维直角坐标系的z轴经过其中某一格点之一，相机位置与检测网格共面，并且检测网格向z＝0平面的投影全部位于所述的第一平面图像以内；
所述的运算环节下，图像处理器将偏移坐标的(x,y)坐标依次设为检测网格中每一个格点的(x,y)坐标，将偏移坐标的z坐标设为相机与平面模板的距离；根据图像处理器内置的三维重建算法以及第一平面图像对平面模板进行三维重建，获得第一平面模型；将第一平面模型垂直投影到x-y平面，并把投影区域沿x、y轴均匀划分为尺寸为m*n的误差网格；第一平面模型中与误差网格格点有相同的(x,y)坐标的点的集合记为第一点云；
运算环节下图像处理单元将第一点云在三维直角坐标系中拟合成一个平面，称为第二平面；计算第一点云中所有的点与第二平面的距离的平方和，称为误差系数；比较偏移坐标位于检测网格中每一格点时得到的误差系数，记录误差系数最小值，将误差系数取最小值时的偏移坐标记为最适坐标；
所述的光源组的中心与最佳偏移坐标重合。
2.根据权利要求1所述的三维重建装置的光源位置校准方法，其特征在于：所述的光源组包含4个光源，安装在边长为s的正方形的4条边的中点；所述的相机(2)安装在所述的正方形中心且其光轴方向垂直于所述的正方形；在拍摄时，所述的各个光源有且只有一个处于点亮状态；各个光源的亮度相同并且彼此间的距离可以精确地测量。
3.根据权利要求1所述的三维重建装置的光源位置校准方法，其特征在于：所述的图像处理单元通过所述的第一平面图像中的灰度信息、光源组中光源之间的距离、相机的坐标以及其与平面模板之间的距离计算出第一平面模型。
4.根据权利要求1所述的三维重建装置的光源位置校准方法，其特征在于：所述的第一平面图像包含有4张图片，将所述的4张图片灰度化后得到4张灰度图，4张灰度图中同一位置的像素对应了平面模型中的同一点；设灰度图尺寸为m*n像素，以灰度图左上角的像素为原点，水平向右为y轴方向，垂直向下为x轴方向，朝向所述的相机的方向为z轴正方向建立直角坐标系；设在平面模板中1毫米的长度在灰度图中对应r像素，相机与平面模板距离为d毫米，则在直角坐标系中的相机坐标为(m/2,n/2,d*r)。
5.根据权利要求4所述的三维重建装置的光源位置校准方法，其特征在于：所述的灰度图中，Ekij表示第k张灰度图的灰度矩阵，k＝1,2,3,4,Pij表示所述的灰度图中第i行第j列的像素在直角坐标系中的坐标，
Figure FDA0002374579380000021
表示第k个光源到所述的灰度图中第i行第j列的像素的方向向量，k＝1,2,3,4,
Figure FDA0002374579380000022
表示所述的灰度图中第i行第j列的像素在平面模板上对应的点在直角坐标系中的表面法向量；根据朗伯反射定律，当所述的平面模板的反射光为漫反射时，对于其表面任意一点，有以下方程：
Figure FDA0002374579380000023
求解方程可获得
Figure FDA0002374579380000024
进而解出所述的平面模板表面上任意一点的梯度；对梯度进行积分可计算出所述的平面模板表面上任意一点的z坐标，即还原出所述的第一平面模型。
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