专利名称：一种基于激光探针阵列的三维摄影方法及装置的制作方法
一种基于激光探针阵列的三维摄影方法及装置
本发明属于三维摄影和三维测量领域，更具体地涉及一种基于激光探针阵列的三维摄影方法，还涉及一种基于激光探针阵列的三维摄影装置。适用于大场景的致密三维坐标测量和立体摄影，同时也适用于机器人、智能驾驶和障碍物探测的快速三维坐标测量，以及工业零部件三维测量等。
背景技术：
普通摄像机通过光学镜头把物体投影到像面，并采用胶片或(XD/CM0S图像传感器进行记录，由此拍摄的图片是二维的，深度信息丢失了。但是随着智能机器人、安全无人驾驶等领域的快速发展，对深度信息的需求越来越大，迫切需要快速采集场景的三维坐标信息，特别是随着真三维立体显示技术的发展，需要同时高分辨率准确采集三维场景的三维坐标和色彩信息。严格地来讲，目前还没有任何一种摄像技术可以同时高分辨率准确采集三维场景的三维坐标和色彩信息。例如，采用双摄像机的立体摄像技术，虽然可以从两个角度高分辨率实时采集三维场景的色彩信息，在播放时再通过立体显示器把两台摄像机拍摄的画面分别呈现给左右眼，使观察者产生很强的立体感，但在此过程中，并没有涉及场景的三维坐标具体数值。尽管通过几何成像关系，可以对两台摄像机拍摄的图像对进行处理， 通过三维重建计算得出三维场景的三维坐标，但其中立体匹配复杂、处理时间长，特别是对于结构特征不明显的区域，立体匹配无法进行，导致三维重建噪声大。另外基于双摄影机的立体摄影对摄影机要求很苛刻，两台摄影机必须对准并保持严格同步，例如当一台摄像机变焦时，另外一台摄像机也必须立即产生相同的变焦量，否则拍摄出来的立体电影在播放时会令人眩晕，产生严重不适。目前与上述真正意义上的三维摄影技术最接近的是现有各种三维坐标测量技术，尽管这些技术一般不记录场景的色彩信息，而且在测量速度、或测量范围和密度、或测量精度、或抗干扰性等方面还达不到实时、高分辨率、高像质要求。例如， 基于激光三角法的测量技术和基于飞行时间的激光扫描技术一般采用点对点测量方式，不能快速提供大面积的密集三维坐标；激光干涉测量技术尽管精度很高，但易于受激光噪声和振动干扰，而且测量面积较�。辉偃绺髦纸峁构馔队安饬考际蹙」芫哂薪虾玫牟饬烤龋� 但测量深度和宽度一般不超过5米，同时经常产生阴影遮断问题等。发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，在于提供了一种基于激光探针阵列的三维摄影方法和装置，使得二维摄像机能够采集深度信息，高分辨率地同时获取大场景的致密三维坐标和色彩信息。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种基于激光探针阵列的三维摄影方法，包括以下步骤
步骤1、设置激光探针发生器的光学中心为坐标原点，激光探针发生器的光轴为Z 轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上原点两侧对称设置第一二维摄像机和第二二维摄像机，第一二维摄像机和第二二维摄像机的光轴平行于Z轴，使得第一二维摄像机与第二二维摄像机构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机和第二二维摄像机分别与激光探针发生器构成基于激光探针阵列的三维测量装置；
步骤2、设定激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；
步骤3、根据预定聚焦点坐标把激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；
步骤4、利用激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对第一二维摄像机和第二二维摄像机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，将第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别调节到其最短焦距，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置；
步骤5、将第一二维摄像机和第二二维摄像机的焦距分别增加一个固定值，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置；
步骤6、重复步骤5，直到第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别达到其最长焦距，第一二维摄像机和第二二维摄像机标定完成；
步骤7、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射被拍摄物体，并用步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机对被拍摄物体进行拍摄，得到检测图片；
步骤8、从步骤7中第一二维摄像机和第二二维摄像机拍摄的检测图片中分别读取第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，根据步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机在预定焦距时激光探针的预定成像位置，插值计算得到第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距下激光探针的预定成像位置；
步骤9、根据步骤8中得到的第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距时每根激光探针的预定成像位置，对步骤7得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行激光探针反射像斑的搜索，如果存在激光探针反射像斑， 则根据激光探针反射像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后进入步骤10 ；
步骤10、根据步骤8读取的第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行缩放，使得第二二维摄像机拍摄的检测图片与第一二维摄像机拍摄的检测图片具有相同的横向放大倍率；根据步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑位置，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行旋转， 使得第二二维摄像机拍摄的检测图片中的激光探针反射像斑与第一二维摄像机拍摄的检测图片中的同一行激光探针反射像斑相互平行；
步骤11、对步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行角点边缘特征提取和匹配，分别得到上述两幅检测图片的特征点，根据同一个特征点在上述两幅图片中的视差计算该特征点到X轴Y轴平面的纵向距离Z ；
步骤12、在步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片中依次选取每一个像素Ali,」，如果该像素是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，则把步骤9中计算得到的该激光探针反射像斑所对应的纵向距离Z作为像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z ； 如果像素AimF是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，是步骤11中所提取的特征点，则以该特征点所对应的纵向距离Z作为像素Aim处物体表面的纵向距离Z ；如果像素Aim不是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，也不是步骤11中所提取的特征点，则在经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片中，按照预先选取的测度函数搜索立体匹配点，搜索范围为在步骤9中搜索得到的、且与像素Aim最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所围成的矩形区域，如果找到立体匹配点A2i，,ρ则利用A1U与A2i，, 」，的视差大小计算得到像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z，如果没有找到立体匹配点，则根据上述与像素Aliij最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所对应的纵向距离，通过线性插值计算得到像素Aliij处物体表面的纵向距离Z。
一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，包括第一二维摄像机、第二二维摄像机、 激光探针发生器和支架，第一二维摄像机、激光探针发生器和第二二维摄像机依次等间距固定在支架上，第一二维摄像机的光轴、激光探针发生器的光轴和第二二维摄像机的光轴相互平行且位于同一平面，第一二维摄像机的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机的光学镜头的光学中心的连线垂直于它们的光轴，激光探针发生器的光学中心位于第一二维摄像机的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机的光学镜头的光学中心的连线上，使得第一二维摄像机和第二二维摄像机构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机和第二二维摄像机分别与激光探针发生器构成基于激光探针阵列的三维测量装置，第一二维摄像机和第二二维摄像机内置有焦距监测装置，并把拍摄图像时的实际焦距写入所拍摄的图像数据中。
如上所述的激光探针发生器发出的光为红外光，而第一二维摄像机和第二二维摄像机为双波段二维摄像机；
如上所述双波段二维摄像机由第一图像传感器、第二图像传感器，光学镜头和波长选择分光镜组成，波长选择分光镜的反射面与光学镜头的光轴成45度，第一图像传感器和第二图像传感器分别对称放置在光学镜头的两个像面上，使得入射红外光经波长选择分光镜的反射，成像到第一图像传感器，而入射可见光经波长选择分光镜的透射，成像到第二图像传感器。
如上所述双波段二维摄像机还包括一块窄带红外滤光片，窄带红外滤光片放置在第一图像传感器的前面。
本说明书中所用术语说明
(1) 二维摄像机普通摄像机通过光学镜头把物体投影到的像面，并采用胶片或 CCD/CMOS图像传感器进行记录，由此拍摄的图片是二维的，为了与本发明提出的三维摄影装置相区别，我们把上述普通摄像机统称为二维摄像机。
本发明的原理申请人最近提出了一项发明“一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置”(申请号201110322563. 9)，它基于数字光学位相共轭原理，把成千上万根激光探针投射到空中预定位置，然后通过普通二维相机观察记录激光探针在什么地方与物体表面相遇，并借助已知的激光探针的三维坐标确定物体的坐标。该方法虽然可以快速提供大面积的三维坐标，但所采集的三维坐标还不够密集，大约只占二维相机总像素的百分之一。与此相对应，目前常用的基于双摄像机的三维测量方法，可以从两个不同角度拍摄物体，同一物点在两台摄像机拍摄的画面中的成像位置略有不同，即存在专业术语中所说的视差，通过该视差可以反推物体的远近距离，从而逐像素算出物体的三维坐标，然而由于左右画面中相对应的匹配点难于一一准确确定，所算出的物体的三维坐标虽然很密集，但可靠性较差，特别是在特征不明显的区域噪声很大。本发明的核心思想在于联合使用一台基于激光探针阵列的三维测量装置和一对立体摄像机，从而兼具前者的准确性和后者的致密性。但两套设备的结合不是简单地放在一起，而是有机地融合在一起，特别是还需解决在两者结合过程中出现的一些新困难。例如，在最简单的情况下，一台基于激光探针阵列的三维测量装置包括一个激光探针发生器和一个二维摄像机，而一对立体摄像机本身已包括两台二维摄像机，因此我们可以省掉前者中的二维摄像机，直接用一对立体摄像机来监测激光探针在物体表面的反射。但此时产生了新的问题，首先在传统基于激光探针阵列的三维测量方法中，它所采用的二维摄像机的焦距是固定的，这样每根激光探针的预定成像位置也是固定不变的，因此可以提前进行标定。而立体摄像机的焦距是随时变化的，时而拉近，时而拉近，以达到特定艺术效果，焦距的变化将导致每根激光探针的预定成像位置发生变化。 其次，激光探针反射像斑叠加在画面上，会影响画面的完整性，或者景物画面的亮度可能远远大于激光探针反射像斑的亮度，导致激光探针的反射像斑被淹没，无法获得准确测量结^ ο
为了解决上述问题，本发明首先提出了一种动态确定摄像机焦距的方法。在基于激光探针的三维测量方法中，如果采用普通二维摄像机来代替固定焦距的二维相机，在计算物体纵深距离时只有一个独立未知变量，即摄像机的焦距。一旦摄像机的焦距确定，激光探针反射像斑在该焦距时的预定成像位置可以预先计算出来，根据每一个激光探针反射像斑偏离其预定成像位置的像素距离，就可计算出每个激光探针反射点的纵深距离，这些激光探针反射点反映了物体的几何形状。在大多数应用场合，背景一般固定不变，同时尽管物体相对摄像机的位置会发生改变，物体本身的几何形状也往往保持不变，或在两帧图像期间变化缓慢，根据这一特点，可以试探性地确定两个焦距值，分别作为摄像机变焦前和变焦后的焦距，然后选取N个激光探针反射点Ai, i = 1，2，. . .，N(N彡2)，分别对摄像机变焦前后拍摄的两帧图像进行处理，计算物体在这N个点的纵深距离。如果物体只是整体前后平移，这N个点的纵深距离在变焦前后的改变量应该是相同；进一步如果物体固定不变，这N 个点的纵深距离在变焦前后的改变量应该为零。由此可以验证前述试探焦距值是否正确， 如果不正确则调整上述试探值，重复上述计算，直到得到准确的焦距值。由于摄像机的拍摄速度至少为每秒25�。诖蠖嗍榭鱿拢词够嬷械奈锾迦糠⑸湫危捎诒浠俣认喽越下庖患偕枋墙瞥闪⒌�。但是对自身形状快速变化的物体，包括快速翻转的物体，上述假设就不再成立。此时需要摄像机提供准确焦距值，由此需要对现有摄像机进行改进。现在的二维摄像机一般采用压电马达或齿轮调整焦距，因此可以通过累计送给马达的电子驱动信号来统计马达移动量，或者可以附加一个长度监测装置，测量马达或齿轮的移动量，并实时反馈报告摄像机的焦距。对现代数码摄像机，进一步还可把这一焦距值写入所拍摄的图像中，例如在每帧图像数据前面增加若干固定字节记录焦距。这样在后续图像处理中可以直接从图像中读取在拍摄该图像时所采用的焦距值。
一旦摄像机的焦距确定，就可对两台摄像机拍摄的图像分别进行处理，计算出物体在每一个激光探针反射点的三维坐标。进一步以这些点为中心，对左右两幅图像进行立体匹配，逐像素计算出物体在每一点的三维坐标。在进行匹配前一般还需对对两台摄像机拍摄的图像进行预处理，例如，如果两台摄像机在变焦时不同步造成焦距不同，则需对图像进行缩放，使得它们成像倍率相同，如果两台摄像机的CCD或CMOS图像传感器安装得不平行或使用过程中松动，则需对图像进行旋转，使得左右两幅图像中同一行激光探针反射像斑相互平行，从而补偿安装偏差等。经过预处理，一方面可以提高立体匹配的精度，另一方面使得所拍摄的立体图像对在送到立体显示器上进行显示时观看更加舒适。上述预处理过程相当于说利用激光探针对摄像机进行后补偿，消除两台摄像机由于焦距和安装上的偏差引起的测量误差，从而降低了对两台摄像机在前期安装和实际拍摄时焦距同步方面的要求。另外投射到物体表面的成千上万根激光探针相当于给物体打上了标记，匹配运算以这些标记为中心，一方面减小了盲目搜索范围，节省了时间，一方面还提高了精度，减少了误匹配，从而降低三维重建噪声。即使物体表面缺乏特征结构，也可以通过线性插值确定标记点之间其他点的三维坐标。
进一步本发明设计了一种双波段摄像机，通过波长选择性半透半反镜分离可见光与红外激光探针反射像斑，并用两个CXD或CMOS图像传感器分别记录可见光图像和红外激光探针反射像斑图像。这样，一方面避免了激光探针反射像斑对画面的破环，另一方面两个 CCD或CMOS图像传感器可独立采用不同的硬件电路放大增益，避免强亮度图像淹没弱亮度图像。
综上所述，来自基于激光探针阵列的准确三维测量结果，再加上来自立体相机的三维重建结果，就可以实现大场景三维坐标的密集测量。同时专业用于三维摄影的摄像机需要有焦距监测机构并把焦距值写入所拍摄图片，同时还需满足双波段摄像要求，以分离可见光图像和红外激光探针反射像斑图像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果
1、通过引入成千上万根激光探针，相当于给物体打上了标记，提高了基于双摄像机的三维测量方法在立体配对过程中的精度和速度，减少三维重建的噪声等，使得高分辨率三维场景的三维坐标和色彩信息的同时采集成为可能。
2、利用成千上万根位置已知的激光探针，可以对立体摄像机拍摄的图像进行矫正，通过缩放或旋转等预处理消除两台摄像机焦距和安装上的偏差，大大降低了对两台摄像机在前期安装和实际拍摄时焦距同步方面的要求。
3、由于激光能量聚焦到每根激光探针，而不是覆盖整个测量区域，因此与其他主动光学测量方法相比，可以采用较低的激光能量。
图1为一种基于激光探针阵列的三维摄影装置的实施例原理示意图。
图2为基于激光探针阵列的三维测量工作原理示意图。
图3为基于立体相机对的三维测量工作原理示意图。
图4为基于双摄像机的立体测量方法中立体匹配搜索范围示意图。
图5为一种双波段二维摄像机的原理结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明
实施例1
步骤1、设置激光探针发生器的光学中心为坐标原点，激光探针发生器的光轴为Z 轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上原点两侧对称设置第一二维摄像机和第二二维摄像机，第一二维摄像机和第二二维摄像机的光轴平行于Z轴，使得第一二维摄像机与第二二维摄像机构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机和第二二维摄像机分别与激光探针发生器构成基于激光探针阵列的三维测量装置；
步骤2、设定激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；
步骤3、根据预定聚焦点坐标把激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；
步骤4、利用激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对第一二维摄像机和第二二维摄像机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，将第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别调节到其最短焦距，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置；
步骤5、将第一二维摄像机和第二二维摄像机的焦距分别增加一个固定值，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置；
步骤6、重复步骤5，直到第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别达到其最长焦距，第一二维摄像机和第二二维摄像机标定完成；
步骤7、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射被拍摄物体，并用步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机对被拍摄物体进行拍摄，得到检测图片；
步骤8、从步骤7中第一二维摄像机和第二二维摄像机拍摄的检测图片中分别读取第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，根据步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机在预定焦距时激光探针的预定成像位置，插值计算得到第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距下激光探针的预定成像位置；
步骤9、根据步骤8中得到的第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距时每根激光探针的预定成像位置，对步骤7得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行激光探针反射像斑的搜索，如果存在激光探针反射像斑， 则根据激光探针反射像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后进入步骤10 ；
步骤10、根据步骤8读取的第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行缩放，使得第二二维摄像机拍摄的检测图片与第一二维摄像机拍摄的检测图片具有相同的横向放大倍率；根据步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑位置，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行旋转， 使得第二二维摄像机拍摄的检测图片中的激光探针反射像斑与第一二维摄像机拍摄的检测图片中的同一行激光探针反射像斑相互平行；
步骤11、对步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行角点边缘特征提取和匹配，分别得到上述两幅检测图片的特征点，根据同一个特征点在上述两幅图片中的视差计算该特征点到X轴Y轴平面的纵向距离Z ；
步骤12、在步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片中依次选取每一个像素Ali,」，如果该像素是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，则把步骤9中计算得到的该激光探针反射像斑所对应的纵向距离Z作为像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z ； 如果像素Ali, j不是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，是步骤11中所提取的特征点，则以该特征点所对应的纵向距离Z作为像素Aim处物体表面的纵向距离Z ；如果像素AliijF是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，也不是步骤11中所提取的特征点，则在经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片中，按照预先选取的测度函数搜索立体匹配点，搜索范围为在步骤9中搜索得到的、且与像素Aim最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所围成的矩形区域，如果找到立体匹配点A2i,,ρ则利用Aliij与 A2i,, j,的视差大小计算得到像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z，如果没有找到立体匹配点， 则根据上述与像素Aliij最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所对应的纵向距离，通过线性插值计算得到像素Aliij处物体表面的纵向距离Z。
一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，包括第一二维摄像机1、第二二维摄像机 2、激光探针发生器3和支架4，第一二维摄像机1、激光探针发生器3和第二二维摄像机2、 依次等间距固定在支架4上，第一二维摄像机1的光轴、激光探针发生器3的光轴和第二二维摄像机2的光轴相互平行且位于同一平面，第一二维摄像机1的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机2的光学镜头的光学中心的连线垂直于它们的光轴，激光探针发生器3的光学中心位于第一二维摄像机1的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机2的光学镜头的光学中心的连线上，使得第一二维摄像机1和第二二维摄像机2构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机1和第二二维摄像机2分别与激光探针发生器3构成基于激光探针阵列的三维测量装置，第一二维摄像机1和第二二维摄像机2内置有焦距监测装置，并把拍摄图像时的实际焦距写入所拍摄的图像数据中。激光探针发生器3发出的光为红外光，而第一二维摄像机1和第二二维摄像机2为双波段二维摄像机；双波段二维摄像机由第一图像传感器7、第二图像传感器8，光学镜头5和波长选择分光镜6组成，波长选择分光镜6的反射面与光学镜头5的光轴成45度，第一图像传感器7和第二图像传感器8分别对称放置在光学镜头5的两个像面上，使得入射红外光经波长选择分光镜6的反射，成像到第一图像传感器 7，而入射可见光经波长选择分光镜6的透射，成像到第二图像传感器8。双波段二维摄像机还包括一块窄带红外滤光片9，窄带红外滤光片9放置在第一图像传感器7的前面。
实施例2
图1给出了一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，它包括第一二维摄像机1、第二二维摄像机2、激光探针发生器3和支架4，第一二维摄像机1、激光探针发生器3和第二二维摄像机2依次等间距固定在支架4上，第一二维摄像机1的光轴、激光探针发生器3的光轴和第二二维摄像机2的光轴相互平行且位于同一平面，第一二维摄像机1的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机2的光学镜头的光学中心的连线垂直于它们的光轴，激光探针发生器3的光学中心位于第一二维摄像机1的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机 2的光学镜头的光学中心的连线上，使得第一二维摄像机1和第二二维摄像机2构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机1和第二二维摄像机2分别与激光探针发生器3构成基于激光探针阵列的三维测量装置，且第一二维摄像机1和第二二维摄像机2内置有焦距监测装置，并把拍摄图像时的实际焦距写入所拍摄的图像数据中。
在图1中，第一二维摄像机1与激光探针发生器3所构成的基于激光探针阵列的三维测量装置，以及第二二维摄像机2与激光探针发生器3构成的基于激光探针阵列的三维测量装置，它们的工作原理，包括激光探针发生器3发出的激光探针的预定位置的设置都与申请人提出的发明“一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置”(申请号 201110322563. 9)中阐述的一样，这里不再赘述。下面将针对实施例1中的基于激光探针阵列的三维摄影方法，着重讨论如何对具有变焦功能的第一二维摄像机1和第二二维摄像机2进行标定、如何确定在任意焦距时激光探针反射像斑的预定成像位置、如何动态确定第一二维摄像机1和第二二维摄像机2的实际焦距、如何对第一二维摄像机1和第二二维摄像机2拍摄的激光探针反射像斑进行搜索计算、如何对第一二维摄像机1和第二二维摄像机2拍摄的图像进行预处理和立体匹配，以及最后如何逐像素确定物体的三维坐标。
首先讨论第一二维摄像机1与激光探针发生器3所构成的基于激光探针阵列的三维测量装置。如图加所示，激光探针发生器3发出一根激光探针，它通过预定位置A点。从第一二维摄像机1的光学镜头的中心作一根射线穿过A点，如图中虚线所示，沿该射线的所有物点经第一二维摄像机1成像后都落在同一像点A’。当物体位于A点前面的P1平面时， 第一二维摄像机1拍摄到的激光光斑位于预定成像位置A’的左边，如图2b所示。当物体位于A点后面的P2平面时，第一二维摄像机1拍摄到的激光光斑位于预定成像位置A’的右边，如图2d所示。当物体恰好位于A点时，第一二维摄像机1拍摄到的激光像斑与预定成像位置A’重合，如图2c所示。在图加中，物体偏离预定A点的纵向距离ΔΖ正比于激光探针与上述辅助射线在Z处的沿X方向的距离Δ Cl1，Adi _ D
"7^ =ΔΖ 2Ζο⑴
式(1)中D/2代表第一二维摄像机1与激光探针发生器3的光学中心的间距，Z0 是A点的预定纵向距离。当激光探针发生器3不在两个二维摄像机1和2的光学镜头的光学中心的连线的中点时，式(1)中的D/2需分别换成二维摄像机1或2的光学镜头的中心离激光探针发生器3的光学中心的距离。
在式(1)中Ad1正比于第一二维摄像机1拍摄到的激光像斑的位置偏离预定像点Α’的像素距离Aj1Λ , WA. IZtgm .. 「00601 Δαι = 一 Aji = ~— Aj 1LUUbU」NN(之)
式O)中W是第一二维摄像机1在Z处的视场宽度，它覆盖了第一二维摄像机1 的图像传感器的所有N个像素，α工是第一二维摄像机1的半视场角。假设第一二维摄像机 1的图像传感器的宽度为W1,当物距为Z时第一二维摄像机的像距为L1,由于通过光学镜头光学中心的光线方向不变，W1与L1之间存在下述几何关系W1 = 2Litg a (3)记第一二维摄像机1的焦距为，则物距Z、像距L1和焦距之间满足几何成像
关系。在通常情况下物距Z远远大于焦距f\，因此像距L1和焦距近似相等，所以
权利要求
1. 一种基于激光探针阵列的三维摄影方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1、设置激光探针发生器的光学中心为坐标原点，激光探针发生器的光轴为Z轴，X 轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上原点两侧对称设置第一二维摄像机和第二二维摄像机，第一二维摄像机和第二二维摄像机的光轴平行于 Z轴，使得第一二维摄像机与第二二维摄像机构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机和第二二维摄像机分别与激光探针发生器构成基于激光探针阵列的三维测量装置；步骤2、设定激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；步骤3、根据预定聚焦点坐标把激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦占.步骤4、利用激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对第一二维摄像机和第二二维摄像机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面， 将第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别调节到其最短焦距，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在最短焦距时激光探针的预定成像位置；步骤5、将第一二维摄像机和第二二维摄像机的焦距分别增加一个固定值，此时第一二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第一二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置，而第二二维相机所拍摄的激光探针反射像斑的位置即为第二二维相机在新的预定焦距时激光探针的预定成像位置；步骤6、重复步骤5，直到第一二维摄像机和第二二维摄像机的预定焦距分别达到其最长焦距，第一二维摄像机和第二二维摄像机标定完成；步骤7、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射被拍摄物体，并用步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机对被拍摄物体进行拍摄，得到检测图片；步骤8、从步骤7中第一二维摄像机和第二二维摄像机拍摄的检测图片中分别读取第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，根据步骤6中标定完成的第一二维摄像机和第二二维摄像机在预定焦距时激光探针的预定成像位置，插值计算得到第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距下激光探针的预定成像位置；步骤9、根据步骤8中得到的第一二维摄像机和第二二维摄像机在实际焦距时每根激光探针的预定成像位置，对步骤7得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行激光探针反射像斑的搜索，如果存在激光探针反射像斑，则根据激光探针反射像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后进入步骤10 ；步骤10、根据步骤8读取的第一二维摄像机和第二二维摄像机的实际焦距，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行缩放，使得第二二维摄像机拍摄的检测图片与第一二维摄像机拍摄的检测图片具有相同的横向放大倍率；根据步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑位置，对步骤7中得到的第二二维摄像机拍摄的检测图片进行旋转，使得第二二维摄像机拍摄的检测图片中的激光探针反射像斑与第一二维摄像机拍摄的检测图片中的同一行激光探针反射像斑相互平行；步骤11、对步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片和经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片分别进行角点边缘特征提取和匹配，分别得到上述两幅检测图片的特征点，根据同一个特征点在上述两幅图片中的视差计算该特征点到X轴Y轴平面的纵向距离Z ；步骤12、在步骤7中得到的第一二维摄像机拍摄的检测图片中依次选取每一个像素 Ali,」，如果该像素是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，则把步骤9中计算得到的该激光探针反射像斑所对应的纵向距离Z作为像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z ；如果像素AimF是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，是步骤11中所提取的特征点，则以该特征点所对应的纵向距离Z作为像素Aim处物体表面的纵向距离Z ；如果像素 Alio-不是步骤9中搜索得到的激光探针反射像斑所在位置，也不是步骤11中所提取的特征点，则在经过步骤10预处理的第二二维摄像机拍摄的检测图片中，按照预先选取的测度函数搜索立体匹配点，搜索范围为在步骤9中搜索得到的、且与像素Ali, j最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所围成的矩形区域，如果找到立体匹配点A2i，,ρ则利用A1U与A2i，, 」，的视差大小计算得到像素Ali, j处物体表面的纵向距离Z，如果没有找到立体匹配点，则根据上述与像素Aliij最邻近的上下左右四个激光探针反射像斑所对应的纵向距离，通过线性插值计算得到像素Aliij处物体表面的纵向距离Z。
2.一种使用权利要求1所述方法的基于激光探针阵列的三维摄影装置，包括第一二维摄像机(1)、第二二维摄像机(2)、激光探针发生器(3)和支架(4)，第一二维摄像机(1)、激光探针发生器(3)和第二二维摄像机(2)依次等间距固定在支架(4)上，第一二维摄像机 (1)的光轴、激光探针发生器(3)的光轴和第二二维摄像机(2)的光轴相互平行且位于同一平面，第一二维摄像机(1)的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机(2)的光学镜头的光学中心的连线垂直于它们的光轴，激光探针发生器(3)的光学中心位于第一二维摄像机 (1)的光学镜头的光学中心和第二二维摄像机(2)的光学镜头的光学中心的连线上，使得第一二维摄像机(1)和第二二维摄像机(2 )构成一对立体摄像机，同时第一二维摄像机(1)和第二二维摄像机(2)分别与激光探针发生器(3)构成基于激光探针阵列的三维测量装置， 其特征在于第一二维摄像机(1)和第二二维摄像机(2)内置有焦距监测装置，并把拍摄图像时的实际焦距写入所拍摄的图像数据中。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，其特征在于所述的激光探针发生器(3 )发出的光为红外光，而第一二维摄像机(1)和第二二维摄像机(2 )为双波段二维摄像机。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，其特征在于所述双波段二维摄像机由第一图像传感器(7)、第二图像传感器(8)，光学镜头(5)和波长选择分光镜(6)组成，波长选择分光镜(6)的反射面与光学镜头(5)的光轴成45度，第一图像传感器(7)和第二图像传感器(8)分别对称放置在光学镜头(5)的两个像面上，使得入射红外光经波长选择分光镜(6)的反射，成像到第一图像传感器(7)，而入射可见光经波长选择分光镜(6)的透射，成像到第二图像传感器(8)。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光探针阵列的三维摄影装置，其特征在于所述双波段二维摄像机还包括一块窄带红外滤光片(9)，窄带红外滤光片(9)放置在第一图像传感器(7)的前面。
全文摘要
本发明公开一种基于激光探针阵列的三维摄影方法及装置，属于三维摄影和测量领域。它通过数字光学位相共轭原理把成千上万根激光探针投射到空间预定位置，通过普通二维摄像机监测激光探针在物体表面的反射，实现三维坐标测量。同时与一对立体摄像机组合，通过三维重建获取更多三维坐标，两者相结合实现对大场景的准确致密三维坐标测量。不仅可以提高立体图像对三维重建过程中立体匹配处理的准确性，减少匹配处理时间，同时还可对立体相机拍摄的图像进行后期补偿，消除两台摄像机焦距和安装上的偏差，降低对立体摄像机在前期安装和实际拍摄时焦距同步方面的要求。适用于立体电影、机器人、智能驾驶、障碍物快速探测、工业零部件自动测量等领域。
文档编号G01B11/00GK102494609SQ201110367668
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者李志扬 申请人:李志扬
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
