CN111947598A - 基于平面反射镜的360°三维人头测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，通过给人头套上带有散斑图案的头套，利用数字图像相关算法(DIC)和两个相机之间的标定参数可以获得不同视角下人头的三维信息，基于反射镜的反射矩阵，使来自不同视角的三维信息转化到统一的世界坐标系下，从而可实现单帧、高精度的360°三维人头测量。本发明借助于平面反射镜的反射矩阵，通过给人头套上带有散斑图案的头套，仅需两个相机捕获一组散斑图案即可实现单帧、高精度的360°三维人头测量。

Description

基于平面反射镜的360°三维人头测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法。

背景技术

近几十年，三维轮廓测量技术被广泛的应用于各个领域，如在线工业检测，逆向建模和三维人脸测量等。在众多三维轮廓测量方法中，基于散斑相关和三角测量原理的数字图像相关技术是测量效率高和十分实用的技术之一，由于它具有无接触、全场、高精度和高效等优点。然而，在基于由两个相机组成的传统数字图像相关测量***中，由于视野有限或遮挡，它通常不能获得被测物体的360°整体3D形貌结果，这限制了数字图像相关测量***的应用。因此，为了解决这一问题，必须从不同视角进行多次测量以获得被测物体的整体形貌，并且这些现有方法可以分为三大类：基于转台的方法，基于可移动机器人手臂的方法和带有反射镜的测量***。第一种是基于转台的方法，它将测试对象放置在转台上，通过多次旋转测试对象以获取被测物体的整体3D形貌数据。与第一种方法相反，第二种方法要求测量***安装在可移动的机器人臂上，然后在被测物体的四周围绕进行多次3D测量。但是，上述这两种方法必须使用诸如迭代最近点(ICP)之类的点云配准算法来执行扫描后3D数据的复杂后处理操作。综上所述，这些3D测量***需要多次测量并执行耗时、费力的配准算法，从而无法实现快速360°3D形貌测量。

与前两种方法不同，第三种方法是具有反射镜的测量***，该方法可以从三个不同的视角同时捕获被测物体的2D图像，包括真实相机和通过反射镜获得的虚拟相机，从而潜在地使单次测量即可实现被测物体的全景3D形貌重建成为现实。但是，目前尚缺少一种仅需单次测量即可实现高精度的360°三维测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，包括：

步骤1：构建人头测量***，所述测量***包括分别设置在人头模型后方左侧和右侧的反射镜、设置在人头前方沿竖直线上下设置的两个相机，以及套在人头模型上带有散斑图案的头套；

步骤2：通过两个相机同时从三个视角拍摄人头模型，获得三对散斑图像，确定每对散斑图像中每个有效像素的对应视差数据；利用两个相机之间的标定参数，将视差数据转换为三维信息，获得不同视角下人头模型的三维数据；

步骤3：获取反射镜的标定参数，根据标定参数及反射镜的反射矩阵，将不同视角下人头模型的三维数据转换到世界坐标系，完成三维人头测量。

优选地，人头测量***中两个反射镜之间的夹角为100°～140°。

优选地，人头测量***中两个反射镜之间的夹角为120°。

优选地，所述头套的厚度为0.001mm到0.01mm。

优选地，三个视角的拍摄人头模型具体包括从直接拍摄的人头模型以及从两个反射镜中拍摄的人头模型。

优选地，利用数字图像相关算法得到上下两幅散斑图像中每个有效像素的对应视差数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明借助于平面反射镜的反射矩阵，通过给人头套上带有散斑图案的头套，仅需两个相机捕获一组散斑图案即可实现单帧、高精度的360°三维人头测量。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2为单个相机拍摄得到的人头模型的散斑图。

图3为人头模型的三维测量结果示意图：(a)三个视角下人头模型的三维测量结果示意图；(b)人头模型的360°三维测量结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，包括：

步骤1：构建人头测量***，所述测量***包括分别设置在人头模型后方左侧和右侧的反射镜、设置在人头前方沿一竖直线上下设置的两个相机，以及套在人头模型上带有散斑图案的头套，两个相机能同时拍摄到人头后方左侧的反射镜和人头后方右侧的反射镜。

在某些实施例中，两个反射镜之间的夹角为100°～140°。

优选地，两个反射镜之间的夹角为120°。

在某些实施例中，所述头套的厚度为0.001mm到0.01mm。

步骤2：两个相机同时从三个视角拍摄人头模型，获得三对散斑图案。每对散斑图分别由上下两个相机捕获得到，使用数字图像相关算法(DIC)得到上下两幅图像中每个有效像素的对应视差数据。利用两个相机之间的标定参数，将视差数据转换为三维信息，获得不同视角下人头模型的三维数据。

本发明通过反射镜的反射作用，相机从正面、左侧反射镜和右侧反射镜三个视角对人头模型进行成像，从而获得人头模型的360°二维信息。

步骤3：通过两个相机同时捕获一组3D特征点对实现反射镜标定，从而获得反射镜的标定参数。

利用反射镜标定参数以及反射镜的反射矩阵，使来自不同视角的三维信息转化到统一的世界坐标系下，从而可实现单帧、高精度的360°三维人头测量。

本发明首先在人头模型的后方放置两块反射镜，通过反射镜的反射作用，相机可从正面和其他两个视角(左镜和右镜)对人头进行成像，从而获得人头的360°二维信息。将两个相机沿着垂直方向放置，给人头套上带有散斑图案的头套，使用数字图像相关算法(DIC)可以获得两个相机视角之间的人头的视差数据。利用两个相机之间的标定参数，将视差数据转为对应的三维信息。然后通过两个相机同时捕获一组3D特征点对实现反射镜标定，使来自不同视角的三维信息转化到统一的世界坐标系下。与传统的360°三维测量方法相比，本发明可实现单帧、高精度的360°三维人头测量。

实施例

为验证本发明的有效性，使用两台相机(型号acA2440-75um,Basler)，两个前表面反射的反射镜(尺寸为30cm×30cm)和一台计算机构建了一套基于平面反射镜的360°三维人头测量***及其方法的三维测量装置。该套装置在进行物体的三维测量时的拍摄速度为25帧每秒。利用步骤一所述，在基于两个相机组成的360°三维人头测量***中，在被测对象的后方放置两块反射镜，两个反射镜之间的夹角约120°。通过反射镜的反射作用，相机可以从正面和其他两个不同视角(左侧反射镜和右侧反射镜)对人头模型进行成像，从而获得人头模型的360°二维信息。利用步骤二所述，将两个相机沿着垂直方向放置，给人头套上带有散斑图案的头套，使用数字图像相关算法(DIC)可以获得两个相机视角之间的人头的视差数据。利用两个相机之间的标定参数，将视差数据转换为人头模型的三维信息；利用步骤三所述，通过两个相机同时捕获一组3D特征点对实现反射镜标定，使来自不同视角的三维信息转化到统一的世界坐标系下，从而实现单帧、高精度的全景三维测量。进行人头模型测量实验，单个相机拍摄得到的人头模型的散斑图如图2所示，相应的全表面3D重建结果如图3所示。然后，给出了三个不同视角的相应结果，以说明所提出的方法的可靠性。图3(a)三个视角下人头模型的三维重建结果，图3(b)为人头模型的360°三维测量结果。通过实验结果证明，本发明可以实现单帧、高精度的360°三维人头测量。

Claims (6)

1.一种基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：构建人头测量***，所述测量***包括分别设置在人头模型后方左侧和右侧的反射镜、设置在人头前方沿竖直线上下设置的两个相机，以及套在人头模型上带有散斑图案的头套；

步骤2：通过两个相机同时从三个视角拍摄人头模型，获得三对散斑图像，确定每对散斑图像中每个有效像素的对应视差数据；利用两个相机之间的标定参数，将视差数据转换为三维信息，获得不同视角下人头模型的三维数据；

步骤3：获取反射镜的标定参数，根据标定参数及反射镜的反射矩阵，将不同视角下人头模型的三维数据转换到世界坐标系，完成三维人头测量。

2.根据权利要求1所述的基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，人头测量***中两个反射镜之间的夹角为100°～140°。

3.根据权利要求1或2所述的基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，人头测量***中两个反射镜之间的夹角为120°。

4.根据权利要求1所述的基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，所述头套的厚度为0.001mm到0.01mm。

5.根据权利要求1所述的基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，三个视角的拍摄人头模型具体包括从直接拍摄的人头模型以及从两个反射镜中拍摄的人头模型。

6.根据权利要求1所述的基于平面反射镜的360°三维人头测量方法，其特征在于，利用数字图像相关算法得到上下两幅散斑图像中每个有效像素的对应视差数据。

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