CN1375741A - 基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置 - Google Patents

Abstract

本发明为基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置,属于物体完整三维表面恢复的立体视觉技术。该装置由分布在一个多面体支架上的多个数字立体视觉头、IEEE 1394高速串行总线和计算机组成;各个数字立体视觉头获取物体不同侧面的立体图像对,并通过IEEE 1394高速串行总线传入计算机,计算机对立体图像对进行处理得到物体各个侧面的三维网面表示;将物体各个侧面的三维网面变换到同一个坐标下进行拼接,得到物体完整表面的三维表示。本发明不仅可以高精度恢复静态物体完整三维表面,而且可以高精度恢复动态物体或变形物体完整三维表面;本发明没有运动部件,可靠性好,操作简单,成本低;本发明互连方式简单,方便扩充;本发明可用于三维测量、实物仿形、自动加工和产品质量控制等领域。

Description

基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置

技术领域

本发明为基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，属于机器视觉技术领域，特别涉及物体完整表面三维恢复的立体视觉技术。

背景技术

物体三维表面恢复方法主要有结构光扫描测距成像、激光雷达扫描测距成像和立体视觉测距成像等。如，英国Applied ResearchAssociates NZ limited的ARANZ三维成像仪、德国GOM公司的ATOS精密光学测量机、法国MENSI公司的三维激光扫描仪GS100和S10/S25等。这类测距***的主要问题是：(1)只能恢复静态刚性物体的表面，无法恢复动态物体或变形物体的表面；(2)要获取物体完整表面数据，需要将物体旋转或测距仪绕着物体旋转，最后将各个局部表面数据合成，以获取一幅完整的三维图像，因此一般需要几十秒到几十分钟；(3)有许多精密运动部件，技术复杂，成本高，维修和操作不方便，可靠性低。立体视觉技术可以恢复动态或变形物体的三维表面，而且无运动部件，可靠性较高，但只能恢复物体可视部分的三维表面。如美国卡内基—梅隆大学(Carnegie Mellon University)设计的基于多基线匹配原理的立体视觉***，采用4～6个摄像机来恢复物体的三维表面。若要恢复物体完整三维表面，需要移动立体视觉***，让立体视觉***在多个视角上对物体进行拍摄；或者使物体绕自身中心旋转一周，立体视觉***对物体进行连续拍摄，然后把各个视角下获取的局部三维表面拼接起来，得到物体完整三维表面。因此，这种方法仍然不能恢复动态或变形物体完整三维表面。为了恢复运动物体的三维表面，目前采用的方法是在多个视点下同时记录物体的运动图像，然后，对记录下来的图像进行处理，来恢复物体的完整表面信息。如，美国卡内基—梅隆大学建立的“3D ROOM”***，使用了49个经过同步的CCD摄像机；美国马里兰大学建立一套由64个同步的摄像机组成16个视点的视觉运动分析***。上述***的应用背景主要是虚拟现实建模，它们的共同特点是：(1)采用商品化的CCD摄像机、十几台大内存的高性能微型计算机(或是工作站)和多个图像采集卡来采集图像，***复杂、庞大、成本高；(2)多个摄像机之间的图像同步采集，需要专用的硬件设备来完成，实现方法复杂，在进行图像分析时，需要首先提取图像采集的时间信息。

发明内容

针对以上技术存在的问题和不足，本发明的目的是提出一种基于二个以上数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，该装置无需扫描部件或运动部件就可以恢复物体完整的三维表面。

本发明的另一个目的是提出一种基于二个以上数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，该装置可以恢复动态物体或变形物体完整的三维表面。

本发明的另一个目的是提出一种基于二个以上数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，该装置无运动部件，可靠性高，可维修性好。

本发明的另一个目的是提出一种基于二个以上数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，该装置结构简单，操作方便，成本低。

本发明的基本设计思想是采用多个数字立体视觉头，从不同视角获取物体各个侧面的立体图像对，并通过IEEE 1394高速串行总线传入计算机，计算机对立体图像对进行处理得到物体各个侧面的三维网面表示；将各个侧面的三维网面变换到同一个坐标系下进行拼接，得到物体完整表面的三维表示。

(1)无运动部件或扫描部件。本发明采用一个多面体支架，如正多面体或其它类似多面体结构，各个数字立体视觉头位于多面体支架上；使用高强度黑色细丝或高强度细杆构成载物平台将物体置于多面体支架的中心位置。位于多面体支架上的各个数字立体视觉头能从各个视角对物体进行拍摄，包括物体的顶面和底面部分。因此无需扫描部件或运动部件即可恢复物体完整三维表面。

本发明所用的数字立体视觉头是由二个以上摄像机构成，自身即为一套立体视觉装置，可以从上述各个角度恢复物体可视部分的三维表面。对各个角度物体可视部分的三维表面进行拼接就形成物体完整三维表面图像。

(2)图像数据传输。由于摄像机分布在物体周围空间的各个角度，数字立体视觉头之间有一定的距离，采用并行总线来传输图像数据和命令，将使***非常复杂而庞大。本发明采用IEEE 1394高速串行总线来传输图像，该总线能达到400MBPS的传输率。采用IEEE1394高速串行总线的拓扑结构将各个数字立体视觉头连接起来，采用IEEE 1394的异步数据包发送命令和读取***状态，用IEEE 1394的等时数据包来传输图像。用一条IEEE 1394线缆将某个数字立体视觉头通过IEEE 1394总线控制器与计算机相连，各个数字立体视觉头就和计算机建立了联系，就可以通过计算机控制整个***，通过IEEE1394总线将各个数字立体视觉头的图像数据送入计算机中。

(3)图像信号同步。在本发明中，每个数字立体视觉头包括二个以上摄像机，各个摄像机之间的场同步信号和行同步信号并联在一起，保证了各个摄像机图像信号的同步。每个数字立体视觉头还提供一个同步信号接口，该接口可以接收其它立体视觉头的场同步信号和行同步信号，以便同步该数字立体视觉头上的各个摄像机。该数字立体视觉头也可以向其它数字立体视觉头提供同步信号。在所有数字立体视觉头中，有一个数字立体视觉头作为同步信号源，向其它数字立体视觉头发送同步信号，这样就保证了整个***中各个数字立体视觉头之间图像信号的同步。

(4)数字立体视觉头同步采集图像。为了确保各个数字立体视觉头在同一时刻获取物体的立体图像对，需要各个数字立体视觉头同步采集图像。本发明采用IEEE 1394总线广播数据包的传输特点来实现各个数字立体视觉头的同步图像采集。采集图像时，计算机向总线发送采集图像命令的广播数据包，该数据包同时到达各个数字立体视觉头，各个数字立体视觉头上的控制器在接收到图像采集命令后，等待第一个场同步信号。当各个数字立体视觉头接收到场同步信号后，开始采集图像，并将图像存储到帧存储器中。由于各个摄像机的图像信号是同步的，图像采集是在同一场同步信号控制下开始的，保证了图像采集的同步。

本发明提出的基于多数字立体视觉头的物体完整表面恢复装置，其特征在于：

(1)每个数字立体视觉头上集成了二个以上摄像机(基于CCD技术的摄像机或基于CMOS技术的摄像机)、A/D转换器、帧存储器、IEEE 1394接口、光源驱动器、同步信号接口和控制器，由控制器对各个部分统一协调控制。

(2)每个数字立体视觉头上的各个摄像机同步获取物体图像，各个数字立体视觉头之间图像采集是同步的。每个数字立体视觉头自身即为一个立体视觉***，可以恢复物体上可视部分的三维表面。

(3)多个数字立体视觉头之间以IEEE 1394串行总线的拓扑结构互连，具有很大的灵活性。互连方式简单，极易扩充。图像采集控制、光源控制、数据传输通过一条高速串行总线全部完成。

(4)各个数字立体视觉头之间既可以同时采集图象，也可以分别采集图象；通过计算机可分别对各个数字立体视觉头进行控制。

(5)各个数字立体视觉头分布在一个多面体支架上，使用高强度黑色细丝或高强度细杆构成载物平台将物体置于多面体支架的中心位置。***没有运动部件，无需转动摄像机或者被恢复物体即可获得物体表面完整的三维信息。

(6)物体完整表面三维恢复过程控制灵活。由各个数字立体视觉头所采集的图像可以直接由总线传输到计算机中，也可以经过一些预处理后，由总线传输到计算机中，由计算机经过处理程序运算后得到物体完整的三维图像。

(7)***具有节电模式。当需要采集图像数据时，通过控制命令启动各个数字立体视觉头开始采集图象，在不需要图象采集时，数字立体视觉头上的控制器在一个设定的时间间隔内，没有接受到任何控制命令，将使图象采集控制模块和光源部分进入节电模式，也可在计算机发出的控制命令下进入节电模式，节约能源消耗。

本发明具有如下优点：

(1)可以恢复静态、动态和变形物体完整三维表面；

(2)图像采集、传输、光源控制均通过计算机软件控制实现，***无运动部件，被恢复物体不需要旋转或运动，可靠性好；

(3)只需将被恢复物体固定于支架中心，其它操作通过计算机控制完成，物体完整三维表面恢复过程操作简单；

(4)每个数字立体视觉头使用常规镜头摄像机，在特定光源照明下可以高精度恢复物体表面深度图，成本低，恢复精度高。在1.5米处，深度测量误差小于0.5毫米，可以满足各类物体表面测量和建模的要求；

(5)多个数字立体视觉头通过IEEE 1394串行总线的拓扑结构互连，具有很大的灵活性，互连方式简单，极易扩充。可广泛用于实物仿形、物体建模、自动加工和产品质量控制等领域。

附图说明图1是本发明的整体结构图。图2是本发明的数字立体视觉头外观图。图3是本发明的数字立体视觉头的组成框图。图4是本发明使用的拓扑结构图。图5是本发明的物体完整表面恢复流程图。图6是本发明多面体支架为24面体的整体结构图。

图中主要结构为：数字立体视觉头[1]、多面体支架[2]、IEEE 1394线缆[3]、IEEE 1394总线控制器[4]、计算机[5]、A/D转换器[6]、帧存储器[7]、摄像机[8]、IEEE 1394接口[9]、电源接口[10]、同步信号接口[11]、光源接口[12]、控制器[13]、光源驱动器[14]、物体[15]。

具体实施方式

基于多数字立体视觉头的物体完整表面恢复装置的结构：如图1所示，20个数字立体视觉头[1]分布在一个正12面体支架[2]的各个顶点上，数字立体视觉头[1]之间通过1394线缆[3]连接构成一个网络，然后通过IEEE 1394总线控制器[4]连接到计算机[5]。使用高强度黑色细丝或高强度细杆构成载物平台将物体[15]置于正12面体支架[2]的中心位置。

图3是数字立体视觉头[1]的组成框图。每个数字立体视觉头[1]由三个摄像机[8]、A/D转换器[6]、帧存储器[7]、光源驱动器[14]、IEEE1394接口[9]、同步信号接口[11]、控制器[13]等组成。控制器[13]是整个数字立体视觉头[1]的核心，控制数字立体视觉头[1]各个部分协调工作、接受和发送数据。控制器[13]通过IEEE 1394接口[9]接受计算机[5]的指令，然后通过图像采集控制模块(包括A/D转换器[6]和同步信号接口[11])完成对摄像机[8]的参数设置和图像采集控制。控制器[13]通过光源驱动器[14]控制光源的启动和关闭，以配合摄像机[8]的图像采集。控制器[13]通过IEEE 1394接口[9]将图像数据发送到计算机[5]。摄像机[8]在图像采集控制模块的控制下完成同步图像的采集。帧存储器[7]的作用是暂存摄像机[8]采集到的图像数据，.使***能够稳定的工作。操作人员可以通过计算机[5]上的控制程序实现对摄像机[8]参数的设置和修改、光源的控制、***状态的读取。

每个数字立体视觉头[1]都有一个光源接口[12]，光源控制和图象采集控制是统一的。根据需要，光源接口[12]可以接光源，也可不使用该接口。当接上光源时，控制器[13]的相应状态位被置位，计算机[5]可以通过查询该位来判别一个数字立体视觉头是否连接光源，如果连接光源，即可以对其进行控制。

光源用于在照射物体时产生条纹或花斑，以增加无纹理表面的纹理特征，提高求解对应点的可靠性。

IEEE 1394接口[9]是连接数字立体视觉头[1]与其他数字立体视觉头[1]，以及数字立体视觉头[1]与计算机[5]的通道，由物理层芯片和链路层芯片及其接口组成。计算机[5]对各个数字立体视觉头[1]的控制，各个数字立体视觉头[1]之间的信息交换都通过IEEE 1394接口[9]实现。

如图4所示是测量装置使用的拓扑结构，利用IEEE 1394串行总线的拓扑结构互连，具有很大的灵活性，互连方式简单，极易扩充。

每一个数字立体视觉头[1]自身即为一套立体视觉***。所以由每个数字立体视觉头[1]所采集的三幅同步图像可以处理得到以该数字立体视觉头[1]为基准的物体的局部三维网面表示。将物体各个侧面的三维网面变换到同一个坐标下进行拼接，就得到物体完整表面的三维表示。

基于多数字立体视觉头[1]的物体完整表面恢复装置的使用方法：调节各个数字立体视觉头[1]的位置和角度，使所有的数字立体视觉头[1]都指向多面体支架[2]的中心，然后对所有的数字立体视觉头[1]进行标定。在标定完成之后，用高强度黑色细丝或高强度细杆构成载物平台将物体[15]置于正12面体支架[2]的中心位置。通过计算机[5]控制程序启动采集过程。各个数字立体视觉头[1]在接受到开始采集命令后，在同步信号作用下，同步获取各个角度下物体的图像，然后将所有采集到的图像数据通过总线传输到计算机[5]内存中，由处理程序自动完成物体完整三维网面的拼接，并存储或显示物体的三维信息。

基于多数字立体视觉头[1]的物体完整表面恢复装置获得的数据经过数据格式转换，可生成供其它应用程序使用的模型数据。获得的三维信息可广泛应用于工业生产上的产品测绘、质量控制、外形设计，以及自动雕刻***等，有着广泛的用途。

应用举例1

基于多数字立体视觉头[1]的物体完整表面恢复装置，如图1所示，包括多个数字立体视觉头[1]、正12面体支架[2]、IEEE 1394线缆[3]、IEEE 1394总线控制器[4]和计算机[5]。20个数字立体视觉头[1]均匀分布在一个正12面体支架[2]的各个顶点上；被恢复物体[15]用很细的钢丝等物固定于正12面体支架[2]的中心位置，数字立体视觉头[1]之间通过IEEE 1394线缆[3]连接构成一个拓扑网络，然后通过IEEE 1394总线控制器[4]连接到计算机[5]。图5是基于多数字立体视觉头[1]的物体完整表面恢复装置恢复一个兵马俑的头部模型流程示意图，由20个数字立体视觉头[1]所采集的兵马俑的各个侧面的图像信息由IEEE 1394串行总线传输到计算机[5]内，经过计算处理得到兵马俑头部模型完整的三维信息，得到的三维信息可以存储起来供后续应用，如自动雕刻***等，图中显示了三个不同角度下，兵马俑头部模型的三维图像。

应用举例2

基于多数字立体视觉头的物体完整表面恢复装置，如图6所示，包括14个数字立体视觉头[1]、24面体支架[2]、IEEE 1394线缆[3]、IEEE 1394总线控制器[4]和多台计算机[5]。14个数字立体视觉头[1]分布在24面体支架[2]上。

Claims (7)

1.一种基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，由摄像机[8]与计算机[5]组成，其特征是：该装置包括二个以上数字立体视觉头[1]、多面体支架[2]、IEEE 1394线缆[3]、IEEE 1394总线控制器[4]和计算机[5]；数字立体视觉头[1]是由二个以上摄像机[8]、光源驱动器[14]、IEEE 1394接口[9]和控制器[13]构成，各数字立体视觉头[1]分布在一个多面体支架[2]上，并指向多面体支架[2]的中心位置；各数字立体视觉头[1]通过IEEE 1394接口[9]和IEEE 1394线缆[3]连接构成一个拓扑网络，并连接到IEEE 1394总线控制器[4]上，经IEEE1394高速串行总线将数字立体视觉头[1]获取的立体图像对送入计算机[5]中，计算机[5]对这些立体图像对进行处理得到物体完整表面三维表示。

2.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：数字立体视觉头主要由二个以上摄像机[8]、A/D转换器[6]、帧存储器[7]、IEEE 1394接口[9]、光源驱动器[14]、同步信号接口[11]和控制器[13]组成，其中控制器[13]对数字立体视觉头各部分进行统一协调控制。

3.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：各个数字立体视觉头[1]之间、数字立体视觉头[1]与计算机[5]之间，利用IEEE 1394高速串行总线的拓扑结构互连。

4.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：利用IEEE 1394高速串行总线完成摄像机参数设置、图像采集控制、光源控制、图像数据传输和整个装置的控制。

5.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：所有数字立体视觉头[1]可以同步采集图像，也可以独立采集图像；每一个数字立体视觉头中的各个摄像机同步采集图像；计算机可以一次读取数字立体视觉头上所有摄像机采集的图像，也可以只读取单个摄像机采集的图像。

6.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：各个数字立体视觉头[1]之间、摄像机[8]与摄像机[8]之间是完全同步的，通过一条同步线互连。

7.权利要求1所述的基于多数字立体视觉头的物体完整表面三维恢复装置，其特征在于：***具有节电模式，当需要采集图像数据时，启动各个数字立体视觉头[1]，在不需要采集时，各个数字立体视觉头[1]在控制器[13]的控制下进入节电模式。

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