专利名称：一种拍摄三维还原重建方法
技术领域：
本发明系一种三维还原重建方法，尤其是涉及包括远距离进行拍摄还原重建的一种方法。
背景技术：
三维重建技术是目前全球范围最具吸引力的课题之一，世界各国投巨资在追求和提高更加逼真的还原质量，更加快速的重建速度。所谓全息三维重建技术是基于计算机立体视觉和计算机图形学及光学成像原理，获取三维空间物体图像，数字化测量及还原重建的方法和装置。
常规的方法是通过至少两台严格精确定位的图像传感器对同一物体进行成像获得相对应的两幅图像传送给计算机，根据光学成像原理计算确定空间物体上任一定标点的三维坐标几何参数，由计算机建立数字模型，继而还原重建原物体。为了获取高保真的被摄物还原体，现有技术要求两台相机精确定位，保持两台相机静止不动，严格测试两者的精确距离，但是两台相机大量的零部件加工、组装、装配及拍摄等等因素，不可能没有误差，经过数十年的努力距离精度由毫米缩小至微米，至数十丝，几近机械概念上的极限值，已难再有突破。相机间相互的丝毫误差，导致测量、计算出的物体还原数据误差被很大倍数放大，重建物体难以避免变形、失真。因此，本领域在努力寻找探索更好的还原重建手段和方法。
发明内容
本发明的目的是提供能很大程度提高三维还原重建的精度和速度的一种方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种拍摄三维还原重建方法，其特征在于所述重建方法包括①内部标定、②外部标定、③拍摄、④获取图像及图像处理和⑤三维重建五部分；所述①内部标定测量数码相机的像距、焦距、光轴与机械轴的平行度；测量光干涉源的像距和焦距、光轴与机械轴的平行度；所述内标定参数的取得需符合透视投影原理，光学成像原理。所述②外部标定测量系统的相对姿态和绝对姿态参数，包括数码相机与X、Y、Z轴的夹角Z X、Z Y、Z Z，光干涉源的夹角Z X、Z Y、Z Z，以及数码相机和光干涉源之间的距离及聚焦参数；所述③拍摄设置数码相机与光干涉源的拍摄参数，达到抑制噪声，达到获得高锐度图像及真彩色还原，数码相机在光干涉源照射下对被摄物拍摄；所述④获取图像及图像处理对图像数据进行处理，提取被摄物表面在光栅映射下的特征信息，包括光栅条的二值数据、边缘和中线，实现多种图像格式的输出；所述⑤三维重建读取①内部标定中参数和②外部标定中参数，再调用④获取图像及处理后的图像，完成像素点对体视匹配，实现像素点对三维重建及色彩还原，输出包括点云、三角面格式及大数据量的存储、调取、浏览、处理。进一步，所述⑤三维重建，采用由浙江华震数字化工程有限公司市场出售的还原重建数据处理器进行处理。进一步，所述④获取图像及图像处理采用包括Photoshop的图像处理软件进行处理。进一步，所述①内部标定还包括测量数码相机的镜头形变、测量光干涉源镜头形变、投射光的强度及光干涉条的精度。符合透视投影原理，以提高还原的精度。所述上述内容和步骤，可以由以下操作来实现所述①内部标定即，在一个直线上，不断改变数码相机与测试校正目标板之间的 距离，可以测试和取得所述基本参数，目标板可以是带光源光栅的光干涉源。所述②外部标定S卩，一台数码相机和一台设置在数码相机侧部的光干涉源，根据被摄物或被摄物欲重建部位的大小和距离，以及还原的精度，选择数码相机的数码后背(CCD)密度和数码相机镜头焦距，配置数码相机和光干涉源相互的间距和夹角，达到数码相机和光干涉源拍摄图像存在共面，达到被还原对象部位成像面积最大程度占有数码相机的数码后背(CCD)；在光干涉源的光栅片上含有多条已知相互间距的光栅条和多个已知相互间距及特征的定标点；在保持被摄物相对于数码相机和光干涉源三者相互的位置和角度不变的情况下，在被摄物的位置放置一块标定板，标定板上投影光干涉源的光栅条和定标点；数码相机对标定板进行拍摄成像；用光学成像原理、三角函数、各定标点的物距和像距值计算出数码相机数码后背(CCD)和光干涉源的实际间隔距离以及相互的夹角；即所述测量系统的相对姿态和绝对姿态参数，包括数码相机与Χ、γ、ζ轴的夹角Z X、Z Y、Z Ζ，光干涉源的夹角Z X、Z Y、Z Ζ，以及数码相机和光干涉源之间的距离及聚焦参数。所述③拍摄设置数码相机与光干涉源的拍摄参数，达到抑制噪声，达到获得高锐度图像及真彩色还原，数码相机在光干涉源照射下对被摄物拍摄；所述④获取图像及图像处理对图像数据进行处理，提取被摄物表面在光栅映射下的特征信息，包括光栅条的二值数据、边缘和中线，实现多种图像格式的输出；所述⑤三维重建读取①内部标定中参数和②外部标定中参数，再调用④获取图像及处理后的图像，完成像素点对体视匹配，实现像素点对三维重建及色彩还原，输出包括点云、三角面格式及大数据量的存储、调取、浏览、处理。根据被摄物表面在光栅映射下的特征信息和光干涉源光栅条及定标点的物理信息，用光学成像原理、三角函数，利用前述计算的数码相机数码后背(CCD)和光干涉源的实际间隔距离以及相互的夹角，计算出被摄物表面共面像素的物理三维坐标值，取得被摄物表面全套全息成像的信息数据。本发明的有益效果①本发明采用内部标定、外部标定，提前取得相机的内方位元素和外方位元素，便可通过反推法精确取得数码相机和光干涉源之间的距离，为实际拍摄，还原重建提供了基础，而摒弃了现有技术必须将两台相机固定，精确实际测量出相互距离为拍摄还原基础的方法。②采用数码相机数码后背来计算数码相机的距离，还原精度可以精确至I个像素级，目前通用数码相机可以达到百万、千万，上亿级像素，因此，其还原数度和速度较现有技术采用几何长度测量、计算几乎无可比拟。③本发明首次提出了由标定板的标定反推两台数码相机距离的测试还原方法，实现了数十、上百甚至更高级别的精度提高，由于采用的瞬间拍摄方法，因此可以应用于移动航空拍摄取样，在三维还原领域中具有革命性的成果。④由本发明可实现一台数码相机与一光干涉源在拍摄中出现共面的条件下自由摆放不受约束。
图I是本发明拍摄三维还原重建方法的一实施方式，采用的标定板部件的主视 图；图2是本发明拍摄三维还原重建方法的一实施方式，进行标定操作的配置示意图；图3是本发明拍摄三维还原重建方法的物距和数码相机焦距的关系图；图4是本发明拍摄三维还原重建方法中矩形边框实物在一台数码相机数码后背上成形的几何关系图；图5是图4矩形边框的垂直线在一台数码相机数码后背上成形的几何关系图；图6是图4矩形边框的水平线在一台数码相机数码后背上成形的几何关系图；图7是两台数码相机对目标物在数码后背上成形的几何关系图；图8是本发明拍摄三维还原重建方法的主要技术内容。图中，I为标定板、Ia为定标点、2为数码相机、3为机架；A为左定标点、B为右定标点、C为右数码相机、D为左数码相机；al为左数码相机至左定标点距离、al'为左数码相机至右定标点距离、m为两定标点距离、a2为右数码相机至左定标点距离、a2'为右数码相机至右定标点距离、η为两数码相机距离；a为定标点至数码相机数码后背的距离(物距)、b为数码相机的焦距；X是矩形边框实物水平线长度、Y是矩形边框实物垂直线长度、Z是矩形边框实物顶点至数码相机镜头原点的距离；X是矩形边框在数码后背上成形的水平线长度、y是矩形边框在数码后背上成形的垂直线长度、z是矩形边框在数码后背上成形的顶点至数码相机镜头原点的距离；OL是左侧数码相机，OR是右侧数码相机，P是矩形边框实物顶点，P’是矩形边框在数码后背上成形的顶点。
具体实施例方式以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。一种拍摄三维还原重建方法数码相机2和光干涉源固定在一定间隔距离的一个机架3上；只须固定即可，不必测量两者间距。在被摄物的附近放置一个标定板1，标定板I上配置两个经过测定距离的定标点Ia以及至少三个不在一条直线上的黑点；两个定标点可以测定距离，至少三个点可以决定一个面，由面可以测定形成的夹角。数码相机2在光干涉源照映下对标定板I上两个定标点Ia及至少三个黑点进行拍摄成像；通过两个定标点和至少不在一条直线上的三个点，可以对数码相机2和光干涉源的距离，以及相互角度，即姿态角进行了反向计算标定。 在计算机中将数码相机2的成像图形测出各测量点的像距。用光学成像原理、三角函数、各定标点的物距和像距值计算出数码相机2和光干涉源的实际间隔距离以及相互的夹角。本实施例，如图2所示，由三条边al、a广、m组成的Λ ADB和由a2、a2^、m组成的Λ ACB，根据三角函数等运算，可以算出数码相机的数码后背(CCD)和光干涉源的实际间隔距离X值。根据至少三个点，可以是明显的三个黑色点决定的一个面，从取得的拍摄数据，反向计算出数码相机2和光干涉源相互的夹角。去除标定板1，数码相机2在光干涉源照映下拍摄被摄物。 将数码相机的数码后背(CCD)和光干涉源的实际间隔距离、姿态角作为已知值，计算出被摄物表面所有点的实际物距，取得全套全息成像的信息数据。关于本发明中的计算，在本领域中，利用两台数码相机和利用一数码相机加光干涉源的原理是一样的，根据两台数码相机2数码后背(CCD)上的长度信息可以计算还原出物体在平行于数码后背(CCD)方向上的物距，根据两台数码相机2数码后背(CCD)已知的夹角，对同一点取得的不同的像距数值，解方程组可取得物体在垂直于数码后背(CXD)方向上的物距突起高度或凹入深度，由此取得完整的物距数据。本发明中的一些运算，包括所述⑤三维重建，采用由浙江华震数字化工程有限公司市场出售的还原重建数据处理器进行处理。所述市售的数据处理器，已经完全按本发明所述方法进行测试、计算、校核，只需要进行简单测试，便能取得完整的全套数据，直接应用于对物体的重建还原。如图3所示，根据物距和数码相机焦距的关系图，数码相机焦距b为已知，依据对摄物的实际长度和在相机的数码后背上测得的长度，可以计算出物距a的长度，由此，可以测得被摄物在高度方向(即相机与被摄物连线方向)的凹凸高度或深度。如图4所示，显示了本发明主动拍摄三维还原重建方法中矩形边框实物在一台数码相机数码后背上成形的几何关系，连接两者的相应点，并且延长，可以相聚为一点，命名为原点。如图5、6所示，显示了矩形边框的垂直线、水平线在一台数码相机数码后背上成形的几何关系，根据相似三角形边长成比例的关系式，依据X、Y、Z和x、y可以计算出z。，同理，通过一个平面上的至少三个点，也能拍摄和经计算测得数码相机的原点与该平面之间相对X、Y和Z的夹角。如图7所示，由两台数码相机拍摄同一平面和平面上的一个定标点，依据图3、4、5和6可分别测得实物点与两台相机原点的长度，以及与该平面之间相应的夹角。根据以上数据，可以计算求得原点OL和OR之间的距离长度以及两原点与定标点连线形成的夹角。通过对大量定标点的拍摄，取得“点云”数据 ，可以进行还原重建。
权利要求
1.一种拍摄三维还原重建方法，其特征在于所述重建方法包括①内部标定、②外部标定、③拍摄、④获取图像及图像处理和⑤三维重建五部分； 所述①内部标定测量数码相机(2)的像距、焦距、光轴与机械轴的平行度；测量光干涉源的像距和焦距、光轴与机械轴的平行度； 所述②外部标定测量系统的相对姿态和绝对姿态参数，包括数码相机(2)与X、Y、Z轴的夹角Z X、Z Y、Z Ζ，光干涉源的夹角Z X、Z Y、Z Ζ，以及数码相机(2)和光干涉源之间的距离及聚焦参数； 所述③拍摄设置数码相机(2)与光干涉源的拍摄参数，达到抑制噪声，达到获得高锐 度图像及真彩色还原，数码相机(2)在光干涉源照射下对被摄物拍摄； 所述④获取图像及图像处理对图像数据进行处理，提取被摄物表面在光栅映射下的特征信息，包括光栅条的二值数据、边缘和中线，实现多种图像格式的输出； 所述⑤三维重建读取①内部标定中参数和②外部标定中参数，再调用④获取图像及处理后的图像，完成像素点对体视匹配，实现像素点对三维重建还原，输出包括点云、三角面格式及大数据量的存储、调取、浏览、处理。
2.根据权利要求I所述拍摄三维还原重建方法，其特征在于所述⑤三维重建，采用由浙江华震数字化工程有限公司市场出售的还原重建数据处理器进行处理。
3.根据权利要求I所述拍摄三维还原重建方法，其特征在于所述④获取图像及图像处理采用包括Photoshop的图像处理软件进行处理。
4.根据权利要求I所述拍摄三维还原重建方法，其特征在于所述①内部标定还包括 测量数码相机(2)的镜头形变、测量光干涉源镜头形变、投射光的强度及光干涉条的精度。
全文摘要
一种拍摄三维还原重建方法，包括①内部标定测量数码相机(2)的像距、焦距、光轴与机械轴的平行度；测量光干涉源的像距和焦距、光轴与机械轴的平行度；②外部标定测量系统的相对姿态和绝对姿态参数，包括与X、Y、Z轴的夹角∠X、∠Y、∠Z，以及数码相机(2)和光干涉源之间的距离及聚焦参数；③拍摄数码相机(2)在光干涉源照射下对被摄物拍摄；④获取图像及图像处理提取被摄物表面在光栅映射下的特征信息，实现多种图像格式的输出；所述⑤三维重建读取①内部标定中参数和②外部标定中参数，再调用④获取图像及处理后的图像，完成像素点对体视匹配，实现像素点对三维重建还原。很大程度提高了三维还原重建的精度和速度。
文档编号G06T17/00GK102831641SQ20121028041
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者梁震华 申请人:浙江华震数字化工程有限公司