专利名称：自会聚式多视点三维数据采集系统及方法
技术领域：
本发明属于三维图像采集技术领域，具体涉及一种会聚式多视点三维数据采集系统。
背景技术：
自由立体显示是目前最主要的立体显示方式之一，它利用人两眼观看具有视差的平面图像后在大脑中形成具有纵深感的立体图像。具有视差的图像可以利用多个相机拍摄实际的三维场景得到。相机阵列的摆放方式分为会聚相机阵列法和平行相阵列法两种。平行相机阵列法的各相机光轴互相平行，物平面重合，整个三维场景都只有负水平视差没有正水平视差，在自由立体显示器上得到只有凸出屏幕外，没有凹进屏幕里的三维场景的再现显示效果，这与观看者观看实际三维场景的纵深视觉习惯不一致，因此平行相机阵列法获取的视差图像不能实现三维场景的真实再现。会聚相机阵列法获取的视差图像具有正、 负水平视差，在自由立体显示器可得到既有凸出屏幕外，又有凹进屏幕里的三维场景的逼真再现显示效果。传统会聚式多视点三维数据采集系统只能实现固定焦距对目标进行观测和拍摄， 拍摄有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，解决传统会聚式多视点三维数据采集系统只能实现固定焦距对目标进行观测和拍摄的问题，提供一种能够获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，实现同步会聚的三维数据采集系统。为此，本发明采用如下的技术方案一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，其特征在于，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。作为优选实施方式，上述的自会聚式多视点三维数据采集系统，主相机和各个从相机均勻分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。本发明同时提供一种采用所述的系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法， 包括下列步骤(1)根据观测目标布置主相机及从相机的位置，并使主相机正对观测目标；(2)用激光测距装置测量主相机镜头到观测目标间的距离；(3)根据激光测距装置测量得到的距离，计算各个从相机的云台的转动角度和每个相机的焦距变化；(4)通过电机控制各个从相机的云台转动角度，实现多相机的会聚；
(5)控制每个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步；(6)进行三维数据的多视点采集。作为优选实施方式，本发明根据主相机镜头与观测目标之间的距离，预先设定从相机云台旋转和相机焦距调节的距离阈值，低于该距离阈值的距离变化时，不触发多相机的会聚和焦距的同步；主相机和各个从相机均勻分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处，而且，设相邻两相机的距离为D，某个从相机与主相机间间隔的相机个数为 n，其中η = 0，1，2，3，…，该从相机在进行当前的调整前已经经过会聚调整，正对之前的观测目标，则当主相机镜头与观测目标的距离从L1调整到L2时，该从相机调整到正对观测目
标的云台转动角度= +1)/)(^^)。
A厶2现存的多视点三维数据采集系统大多采用平行摄像阵列法，获取的视差图像只有负水平视差，没有正水平视差，在自由立体显示器上得到只有凸出屏幕外，没有凹进屏幕里的三维场景的再现显示效果。而有些多视点三维数据采集系统采用会聚摄像阵列法，只能采用固定焦距对目标进行数据采集，不能实现对运动目标连续拍摄。而本发明的自会聚多视点三维数据采集系统，不仅能获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，而且能实现多视点对运动目标进行搜索和观察的三维数据采集，设计合理且清晰，操作简单，反应迅速且灵敏，实时性强，精确度更高。具体而言，本发明具有如下的技术效果1.利用激光测距装置测物距，并能实时显示物距参数；
2.多相机云台可根据物距的改变而改变，可以手动选择云台的转动形式
3.多相机镜头可根据调焦方式随物距自动调焦，同时能实现手动定焦；
4.采用控制盒进行转动方式、调焦方式和手动定焦的控制；
5.实时记载会聚点距离信息；
6.各个相机采用弧形阵列，易于实现半径选择以及转动角度确定。
图1本发明的会聚式多视点三维数据采集系统的总结构框图。
图2本发明原理介绍用图3本发明的支架设计；
图4本发明的控制盒面板设计和信号走向示意图5本发明主控制器的会聚控制模块工作原理图6本发明主控制器的焦距控制模块工作原理图。
具体实施例方式
本发明的会聚采集系统的结构示意图如图1所示。由激光测距装置实现主相机与观测目标之间的距离检测，距离信号被送入主控制器，并通过LED实时显示距离信息，主控制器主要通过单片机及其外围器件实现。主控制器根据距离信号计算出从相机云台转动的角度和相机焦距变化，继而驱动从相机云台步进电机和相机电动镜头的镜头控制电路，实现从相机的会聚和多相机的焦距调节。本实施例中，从相机有8个，图中只是画出了 2个。 本发明的会聚采集系统，如果想实现更好的会聚，需要保持各个相机的高精度同步。在多相机拍摄中，相机之间的同步也非常重要，一般希望达到0. 2ms左右，这样能适应10m/S的运动速度。根据选用的相机的特点，通过外置同步信号发生器将特定的同步信号送入相机的外同步输入端做到多相机之间的精确同步，进行相机的同步控制，误差不超过125us，基本满足视频的要求。下面首先介绍该发明中自动会聚实现的原理自由立体显示是利用人两眼观看具有视差的平面图像后在大脑中形成具有纵深感的立体图像，所以利用多个相机拍摄实际的三维场景时，相邻相机间的间距D差不多为 7cm,而拍摄的场景与相机的距离L通常超过an。如图2，当所拍的场景范围为距离相机2 10米，相机均勻分布在半径为L的圆弧上，则可以计算出图2中最远的两个相机间在Y方向上的距离d，设最远两个相机与场景中心构成的角度为Θ，则没=似，其中3为相邻两个相机间的夹角。经过计算，可以得出
D2 D 4D
权利要求
1.一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，其中，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。
2.根据权利要求1所述的自会聚式多视点三维数据采集系统，其特征在于，主相机和各个从相机均勻分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。
3.一种采用权利要求1所述的系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法，包括下列步骤(1)根据观测目标布置主相机及从相机的位置，并使主相机正对观测目标；(2)用激光测距装置测量主相机镜头到观测目标间的距离；(3)根据激光测距装置测量得到的距离，计算各个从相机的云台的转动角度和每个相机的焦距变化；(4)通过电机控制各个从相机的云台转动角度，实现多相机的会聚；(5)控制每个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步；(6)进行三维数据的多视点采集。
4.根据权利要求3所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，根据主相机镜头与观测目标之间的距离，预先设定从相机云台旋转和相机焦距调节的距离阈值，低于该距离阈值的距离变化时，不触发多相机的会聚和焦距的同步。
5.根据权利要求3所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，主相机和各个从相机均勻分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。
6.根据权利要求5所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，设相邻两相机的距离为D，某个从相机与主相机间间隔的相机个数为n，其中η = 0,1,2,3,…， 该从相机在进行当前的调整前已经经过会聚调整，正对之前的观测目标，则当主相机镜头与观测目标的距离从L1调整到L2时，该从相机调整到正对观测目标的云台转动角度ΑΘ = (η + 1) φ^)。
全文摘要
本发明属于三维图像采集技术领域，涉及一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。本发明同时提供一种上述利用系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法。本发明能够获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，实现同步会聚的三维数据采集。
文档编号G03B35/08GK102495520SQ20111041586
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者杨嘉琛, 汪火根 申请人:天津大学