一种基于移动稀疏相机采集阵列的三维采集及重建系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维采集及重建领域，更具体地，涉及一种基于移动稀疏相机采集阵 列的三维采集及重建系统。
【背景技术】
[0002] 三维采集技术一般包括主动式采集和被动式采集两种方式：相对于被动式采集方 式，主动式采集方式一般通过对被采集对象引入额外光照（结构光）来增加或增强被采集 对象的表面特征，以便在被采集对象表面特征稀少时也能利用采集的数据进行后续的重建 工作，同时提高了重建精度。结构光可以以点阵或条纹的形式静态地投射到被采集物体表 面上，也可以以动态的方式在不同的时间将不同的特征投射到被采集物体的表面，动态结 构光可以进一步提高重建的精度，但是要求采集装置和结构光同步，对采集装置的硬件要 求和整个重建流程的时序控制有更高的要求。
[0003] 三维重建技术一般分为基于光场采集和基于图像采集的三维重建技术，其中前者 通过记录光源发出的光线经过被采集对象表面漫反射进入采集装置的方向信息（s，t)和 在采集装置镜头上成像的位置信息（X，y)，以复原被采集对象表面光场的形式进行重建。而 本发明中采用的重建方法属于后者，通过每个相机在空间中的相互位置关系，将被采集对 象上相同点在不同相机采集到的图像上的位置匹配起来计算出该点到采集单元镜头的距 离（Z)，再结合其在二维图像上的位置（X，y)得到该点空间中的三维位置信息（x，y，z)。此 种方法下，采集单元之间的位置关系如果不准确，则在后面进行的匹配之前就会存在较大 的误差，造成匹配失败甚至误匹配；而如果采集单元比较少，则重建过程中用于特征点匹配 的参照图像也少，当其中一幅图出现较大误差无法通过其他准确采集的图像进行纠正时， 也容易出现误匹配的情况，最终造成整个重建图像失真。针对这些情况，一般通过稠密采集 的方式降低由于少数幅图或少数采集单元位置关系不准确带来的重建误差。其中可以通过 稠密相机阵列对多个采集单元进行采样：由于稠密相机阵列中每个相机采集单元被预先固 定，因此可以在采集过程之前对稠密相机阵列中每个相机采集单元进行静态预标定（如使 用特征点比较明显的黑白棋盘格标定板进行标定），以便精确的获得每个采集单元之间的 位置关系（相机外参数）和自身镜头的参数（相机内参数）。但是稠密相机阵列硬件系统 体积庞大，多个相机采集单元采集相同场景时需要进行同步，造成整个系统控制复杂。另 外，也可以通过单个相机在移动中进行多角度的采集，并通过被采集物体自身的特征点，以 运动中相机位置获取（StructurefromMotion，SfM)的动态标定方式得到单个相机在不 同位置采集图像时的相对位置关系变化和相机镜头自身的参数，再结合这些特征点进行重 建。这样做简化了系统，但是相机采集位置之间的外参数和相机内参数并非事先通过标定 板上准确的特征点精确标定，而是依赖被拍摄物体上的特征点获取，因而重建的准确程度 没有之前的方法高。
【发明内容】
[0004] 本发明主要针对上述基于图像三维重建方法的问题，设计出一种基于移动稀疏相 机采集阵列的三维采集和重建系统，通过若干个（最多不超过8个）在空间中以合适的间 距（采集单元之间距离不大于1000mm)任意排布的相机采集单元，对相机采集单元视场内 的被采集对象表面进行采集，将数据传回图形工作站后进行基于图像的三维重建，得到与 被采集对象真实物理尺寸一致的数字模型。
[0005] 本发明提出的基于移动稀疏相机采集阵列的三维采集及重建系统具体包括稀疏 相机采集阵列、刚性相机阵列固定装、置数据传输系统、图形工作站和数据总线；其中，
[0006] 稀疏相机采集阵列，包括多个相机采集单元，所述相机采集单元包括相机镜头和 用于记录被采集对象表面经过相机镜头所成图像的相机传感器，所述稀疏相机采集阵列被 所述刚性相机阵列固定装置固定，保证整个稀疏相机采集阵列在移动时每个采集单元之间 相对位置固定；
[0007] 所述相机传感器通过数据总线将图像数据传输给所述数据传输系统，所述传输系 统将接收到的图像数据通过常见的数据传输协议传输给图形工作站；
[0008] 在所述图形工作站上运行的三维重建系统，利用稀疏相机采集阵列采集到的被采 集对象表面的多幅图像数据计算出其表面的三维数据，通过优化算法得到被采集物体的深 度信息，继而计算出采集到的图像中的每个像素点的三维坐标，最终得到符合被采集对象 真实物理尺寸的数字模型。
[0009] 本发明中相机采集单元之间的位置相对固定，因此可以通过准确度比较高的静态 预标定法获取这些相机采集单元镜头的内参数以及它们之间的外参数；虽然整个系统包含 的相机采集单元数目不多，但可以方便地移动整个稀疏相机采集阵列来进行多次采集，相 当于通过稀疏相机采集阵列的移动构建出一个稠密相机采集阵列，并且只需要通过SfM的 方法获得整个稀疏相机采集阵列中任意一个相机采集单元相对于其前一次采集时的位置 变化，就可以根据之前已经求得的稀疏相机采集阵列之间每个采集单元的外参数计算出构 建的稠密相机采集阵列中所有采集单元之间的外参数，这样既简化了整个系统，又减少了 采集过程中求取内、外参数时引入误差的环节。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明设计的一种基于稀疏相机采集阵列的采集装置示意图（正视图和俯 视图）；
[0011] 图2为本发明中的采集装置和传输重建装置的连接示意图；
[0012] 图3为本发明中的稀疏相机采集阵列中相机采集单元间距说明示意图；
[0013] 图4为本发明中的稀疏相机采集阵列的移动采集过程的示意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面对本发明的实施例做详细地说明，给出了详细的实施方式和具体的计算流 程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0015] 1.三维采集系统硬件设计
[0016] 本发明中设计的一种包含5个相机采集单元的三维采集系统的硬件结构如图1所 示。图1中最左边的相机采集单元101包括相机镜头102和用于记录被采集对象表面经过 相机镜头102所成图像的相机传感器103,相机传感器103通过数据总线104将图像数据 传输出去。每个相机采集单元可以互不相同（相机采集单元101旁边的相机采集单元105 可能和相机采集单元101使用完全不同的镜头106和相机传感器107,只要相机传感器103 和相机传感器107可以被数据总线104同时连接，并向外传输数据即可，否则需要为每个相 机单独准备一条数据线，这里为了讨论方便，假设相机传感器103和相机传感器107在这方 面完全相同），整个相机阵列被刚性相机阵列固定装置108固定，保证整个稀疏相机采集阵 列109在移动时每个采集单元之间相对位置固定。图2中将稀疏相机采集阵列109看成一 个整体，稀疏相机采集阵列109通过数据传输系统201，利用有线或无线的形式，将图像数 据和必要的控制信息通过常见的数据传输协议（TCP/IP，UDP，USB，1394等）传到图形工作 站202上，以便三维重建软件系统可以通过稀疏相机采集阵列109采集到的被采集对象203 表面的多幅图像数据计算出其表面的三维数据。
[0017] 为了方便说明，将稀疏相机采集阵列109中稀疏相机采集单元101在某一个位置 采集到的图像为参考图像（将处于该位置的稀疏相机采集单元101视为参考相机采集单 元，其采集到的图像为参考图像），稀疏相机采集阵列109中除了稀疏相机采集单元101以 外其他稀疏相机采集单元视为其他相机采集单元，参考相机采集单元在其他位置采集到的 图像和其他相机采集单元在所有位置采集到的图像相对于参考图像都视为比较图像。
[0018] 相邻相机采集单元的最大间隔和最小间隔如图3所示。以参考相机采集单元101 和与其相邻的其他相机采集单元105为例进行说明：两者镜头中心之间最大间隔L_为 1000mm，即其他相机采集单元105的镜头106的中心位置应该放置在以参考相机采集单元 101的镜头102的中心为中心，L_为半径的圆周内部；最小间隔L_为两个采集单元能以 最紧密的方式摆列在一起时其镜头中心之间的间距。
[0019] 本发明中设计的三维采集系统可以通过整体移动稀疏相机采集阵列109进行采 集。如图4所示，稀疏相机采集阵列109经过3次移动，一共对被采集物体203表面进行了 15次采集；其中稀疏相机采集阵列109中5个相机采集单元在3次移动（每次移动采集5 组图像）中采集的图像分别为：在采集位置401采集的404、405、406、407、408这5幅图，在 采集位置40