一种三维成像方法及金字塔三维成像装置与流程

本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种三维成像方法及金字塔三维成像装置。

背景技术：

近年来随着计算机技术的发展，数值计算成为科学研究与工程应用中除实验和理论分析之外的第三大科学工具。数值计算方法在实际工程中不但可以指导设计阶段的材料选择、结构形状优化和整体方案及安全系数计算，而且可以指导在施工过程中的具体施工方法的选择及优化，例如在隧道开挖过程遇到不良地质条件时，可以通过计算机计算分析为下一步施工提供指导，通过反演分析确定工程事故灾害的诱发机理及进行下一步的预防方案。数值计算的主要优点在于实际工程问题中可以考虑复杂形体及复杂本构，以及可以获取研究对象的变形场、速度场和应力场等物理量的分布。在实际工程数值计算当中，最大的人力主要集中在对模型的前处理和后处理阶段，而计算部分则主要是计算机来完成，特别针对三维问题，三维模型的建立、检验以及结果的后处理和分析过程更加费时费力。当前的数值计算分析系统大都采用平面显示器的方式来显示三维结果，对于整体三维模型建立的正确性和各个视角的效果分析，需要通过在模型空间中进行空间旋转来进行操作。对于工程数值计算的三维模型进行全虚拟化显示，主要可以依靠三维显示技术，例如虚拟现实(virtualreality)的方式通过佩戴显示头盔的方式来进行，然而，头盔显示器的价格普遍偏高，同时不适合于长时间佩戴，以及对于多用户的支持上颇有不足，难以同时满足多用户群对同一对象的多角度实时协调观察和分析。

三维全息技术是近年来发展起来的一项三维显示技术，具有诸多突出的优点，例如无需佩戴头盔显示器，没有使用时间的限制，方便进行大规模团队的同时观察和分析，从而增强团队合作、协调攻克复杂问题的能力。传统全息对于照片拍摄具有很高的要求，需要应用专业的全息拍照系统，费用也较高。基于计算机三维图形技术的三维全息生成方法则要廉价很多，利用高性能图形工作站的三维图形计算性能就可以方便地实现三维全息画面的制作。诸多方法之中最为广泛使用的、经济性最好的是采用金字塔的全息显示技术，也称伪全息显示，涉及材料及工艺十分简单，维护成本小，适合应用于成本控制要求较高的工程项目，本系统的三维全息显示模块将采用类似的原理。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于各种领域的三维成像方法。

本发明的另一目的是提供一种结构布局简单的金字塔三维成像装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种其中该方法所用的成像装置包括图像显示装置和金字塔成像装置；所述显示装置设置在所述金字塔成像装置上方；所述金字塔成像装置由四块完全相同的等腰三角形透明板通过侧边依次接合而成；其中，每块等腰三角形透明板的顶角为70.5°；每块等腰三角形透明板与所述金字塔成像装置底面之间的夹角为45°；此外，该金字塔成像装置也可以由四块完全相同的等腰梯形透明板通过斜边依次接合而成；但选用该结构时，后续对该装置进行坐标描述时，顶点坐标为该装置向上延伸形成的虚拟顶点的坐标。

通过该成像装置实现的三维成像方法，其包括如下步骤：

s1、根据已知数据生成一个相对于目标物体1:1比例的三维立体数值模型；

s2、做所述三维立体数值模型的外接球，使所述三维立体模型完全位于所述外接球内，所述外接球的直径为d；

s3、建立空间直角坐标系，所述外接球的球心坐标为(x1,y1,z1)；

s4、在已建立的所述空间直角坐标系内建立与所述金字塔成像装置一致的金字塔模型，其中，金字塔模型底面中心点位于所述空间直角坐标系的原点上，金字塔模型高度为h，根据金字塔模型高度h得出金字塔模型五个顶点的坐标；

s5、根据金字塔模型高度h和所述外接球的直径d计算出对应于所述金字塔模型的缩放系数，使所述金字塔模型经过缩放后其内部空间能够完全容纳所述外接球；

s6、将所述金字塔模型在空间直角坐标系内进行缩放，并通过平移使所述金字塔模型平移至所述外接球处，且所述外接球与所述金字塔模型底面相切，所述外接球与所述金字塔模型的接触点刚好为所述金字塔模型的底面中心点；其中，所述金字塔模型的平移向量为(x1,y1-d/2,z1)；

s7、将经步骤s6得到的内置有外接球和三维立体数值模型的所述金字塔模型变换为俯视所述金字塔模型，并以步骤s6中所述金字塔模型的顶部顶点为原点建立平面直角坐标系，其中，设水平方向为x轴，向右为正方向，垂直于水平方向为y轴，向上为正方向；进而，沿x轴正方向看将位于该视角下的三维立体数值模型沿x轴逆时针翻转90°得到其正面视图，沿x轴顺时针翻转90°得到其后面视图；沿y轴正方向看将位于该视角下的三维立体数值模型沿y轴逆时针翻转90°得到其右侧视图，沿y轴顺时针翻转90°得到其左侧视图；

s8、将经过步骤s7得到的前面视图、后面视图、右侧视图和左侧视图合并为一张可直接用于所述图像显示装置显示的二维视图。

进一步地，将步骤s2的所述外接球直径d扩大为外接球实际直径的1.1倍。

进一步地，所述外接球的直径为2h/3，进而能够完全容置有所述外接球的金字塔模型的五个顶点坐标分别为：

一种金字塔三维成像装置，包括影像显示装置和成像装置；其中，所述影像显示装置包括固定在房间顶部的高清手动变焦投影仪和设置在一桌台上的计算机；所述成像装置包括平面镜、覆有全息投影膜的玻璃板和设置在桌台上的金字塔成像装置；

所述平面镜通过可调节吊绳吊装在与所述高清手动变焦投影仪位于同一水平位置上，且所述平面镜倾斜向下并与水平面之间呈45°夹角；

所述覆有全息投影膜的玻璃板水平设置在所述平面镜的下方，其包括一块水平设置的玻璃板和覆于所述玻璃板上表面的全息投影膜；

所述金字塔成像装置设置在所述覆有全息投影膜的玻璃板下方，其由四块完全相同的等腰三角形透明板通过侧边依次接合而成，或由四块完全相同的等腰梯形透明板通过斜边依次接合而成。

由于金字塔成像装置的顶部的“塔尖”所构成的空间很小，三维成像过程中所成图像很少用到这部分空间，因此该金字塔成像装置可以按照1:4的比例去掉顶部结构；例如高度4m的金字塔三维成像装置中顶部1m的“塔尖”可以舍去，因而所述金字塔成像装置或由四块完全相同的等腰梯形透明板通过斜边依次拼接倚靠而成。

进一步地，所述全息投影膜为深灰色半透明的全息投影膜；其透光率约为54％，其覆于玻璃板表面后，玻璃板内外不通透，用于室内投影可以有效避免镜头光的影像，成像效果清晰，对比度好。

进一步地，所述玻璃板为普通玻璃或有机玻璃。

进一步地，所述覆有全息投影膜的玻璃板水平设置在一中空的遮挡边框内，在所述遮挡边框一侧边缘沿轴向向上延伸形成有高度为80～100mm的遮光围挡。

进一步地，构成所述金字塔成像装置的透明板采用有机玻璃、普通玻璃、各种材质制成的无色透明膜，如无色透明的塑料膜，或各种材质制成的无色透明板，如无色透明的亚克力板制成。

进一步地，所述平面镜和所述遮挡边框通过至少两根可调节吊绳吊装在房顶上；所述投影仪通过可伸缩支架吊装在房顶上，便于不使用时可以收起，不影响室内空间的正常使用。

该金字塔三维成像装置以房屋结构为主体构架，采用高清投影设备、平面镜、全息投影膜和金字塔结构的成像方式来实现大尺度的工程数值分析的全息影像显示，在保证三维成像效果的前提下与由大尺寸显示屏和金字塔三维成像装置组成的系统相比节省了大量的资金投入，而且可操作性强易于实现；与之相配合的三维成像方法可以对三维工程结构及在施工过程中的动态演化、受力分析和三维破坏过程以三维全息的方式进行显示，方便专家、工程师和用户等对设计方案的选择、结构设计、力学分析、安全性分析及故障分析等方面的信息进行获取和团队化交流。此外，该系统可以在二维显示和三维显示之间随时切换，适应性强，满足不同用户的不同需要。

附图说明

图1为本发明的金字塔三维成像装置的结构示意图；

图2为本发明的金字塔三维成像装置的覆有全息投影膜的玻璃板设置在遮挡边框内的结构示意图；

图3为本发明的金字塔三维成像装置的金字塔成像装置的结构示意图；

图4为本发明的金字塔三维成像装置的金字塔成像装置的展开结构示意图；

图5为本发明的金字塔三维成像装置的成像原理示意图；

图6为本发明的三维成像方法中物理金字塔成像装置的结构示意图；

图7本发明实施例经步骤s7获得的前、后、左、右视图的示意图；

图8本发明实施例经步骤s7获得的前、后、左、右视图的侧视图；

图9为四分格图像布局示意图；

图10本发明实施例经步骤s7获得的四分格图像示意图；

图11为本发明实施例生成的正方体模型的四分格图像；

图12为本发明实施例在金字塔三维成像装置中得到的三维成像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

一种三维成像方法，以一简单正方体模型为例，其中该方法所用的成像装置，如图1所示，包括图像显示装置和金字塔成像装置；其中，

所述影像显示装置包括固定在房间顶部的高清手动变焦投影仪3和设置在一桌台8上的计算机；具体地，

所述计算机包括服务器1和显示器2；所述服务器1通过视频数据线与高清手动变焦投影仪3连接，所述服务器1和所述显示器2连接，通过服务器1和显示器2控制高清手动变焦投影仪3投放的影像；

所述成像装置包括自上而下依次间隔设置的平面镜4、覆有全息投影膜的玻璃板5和设置在桌台8上的金字塔成像装置6；具体地，

所述平面镜4通过可调节吊绳7吊装在与所述高清手动变焦投影仪3位于同一水平位置上，且所述平面镜4倾斜向下并与水平面之间呈45°夹角；

所述覆有全息投影膜的玻璃板5水平设置在一中空的遮挡边框10内，并通过固定在所述遮挡边框10边缘的可调节吊绳7吊装在所述平面镜4的正下方；其中，全息投影膜选用深灰色半透明的全息投影膜，平整、无气泡贴覆在一洁净的玻璃板一面上；使用时贴覆有全息投影膜的一侧朝向上，即与平面镜4镜面相向设置；

如图2所示，所述遮挡边框10为一采用不透光铝合金轻质材料制成的矩形框架，该矩形框架对开为两部分，能够使所述覆有全息投影膜的玻璃板5放置在矩形框架之间并通过卡扣1002固定；所述遮挡边框10一侧边缘沿轴向向上延伸形成有高度为80～100mm的遮光围挡1001，减小投影仪光源对金字塔成像装置6反射作用的干扰；所述可调节吊绳7固定在遮光围挡的端面上，以调节所述覆有全息投影膜的玻璃板5相对于所述平面镜4的距离；

金字塔成像装置6设置在所述覆有全息投影膜的玻璃板5下方；其中，考虑到金字塔顶尖部分成像具有局限性，因此金字塔顶尖不成像，在设计金字塔成像装置6时直接去掉占1/4高度的顶尖部分，因此，所述金字塔成像装置由四块完全相同的等腰梯形透明板通过侧边依次接合而成；具体地，每块等腰梯形透明板两侧的腰向上延伸形成的虚拟顶角为70.5°；每块等腰梯形透明板与所述金字塔成像装置底面之间的夹角为45°；

如图3和图4所示，构成所述金字塔成像装置6的四块等腰梯形透明板的底边通过分别固定在底边处和桌台8桌面上的合页12，使每块梯形透明板活动连接在桌面上可以人为放倒为平面或四块梯形透明板同时立起相互倚靠为金字塔成像装置6；进一步为便于不影响桌台8桌面的随时使用，桌台8桌面加工有四个与四块等腰梯形透明板大小和放倒后尺寸相适应的凹槽；此外，每个梯形透明板上底边设置有一拉环11，便于四块梯形透明板立起并拼凑为一个梯形台结构，即一个没有顶角的金字塔形状，此时，每块梯形透明板立起并与与水平面之间呈45°夹角；金字塔成像装置6的设置高度应与观察者的人眼位置相适应；

其中，分别用于固定平面镜4和遮挡边框10设置位置的可调节吊绳7，另一端通过吊绳收放机构固定在房间顶部，其配有遥控装置；不使用时，通过可调节吊绳7可以通过遥控装置向上收起，不影响室内空间的正常使用。

其中，所述平面镜4、所述覆有全息投影膜的玻璃板5和所述金字塔成像装置6的每块梯形透明板的实际尺寸和相应距离的位置没有特殊的限制，但应满足：平面镜4的尺寸应该满足平面镜4在倾斜45°后高清手动变焦投影仪3前端镜头的投射画面范围仍可以被平面镜4完全捕捉；所述全息投影膜的尺寸大于等于所述平面镜4反射出画面范围；所述金字塔成像装置6的每块梯形透明板的尺寸和设置位置同样要满足其可以完全反射所述全息投影膜反射的图像；金字塔成像装置6无论采用金字塔形状或去掉塔尖的梯形台，金字塔成像装置6的塔尖或梯形台向上延伸形成塔尖处刚好触到所述覆有全息投影膜的玻璃板5的中心点处。

可选择的，在对应所述高清手动变焦投影仪3前端镜头投射方向的墙体上还固定有一普通投影屏幕9，用于当三维成像装置无需要使用时，可以仅开启计算机和投影仪3，与普通投影屏幕9构成正常的二维投影系统。

通过该成像装置实现的三维成像方法，其包括如下步骤：

s1、根据已知数据在计算机三维绘图软件中生成一个相对于目标物体1:1比例的三维立体数值模型；

其中，计算机三维软件可选用但不限于cad软件，犀牛软件，3dmax软件、ansys软件中任一种；

s2、做所述三维立体数值模型的外接球，使所述三维立体模型完全位于所述外接球内；所述外接球的直径设为d；然后增大外接球直径为所述三维立体数值模型的包球，直径d＝1.1d，即外接球直径d的1.1倍，使物理空间的金字塔成像装置6缩放平移到数值三维空间，保证外接球内的所述三维立体数值模型“完全套在金字塔里面”；

s3、采用右手法则建立空间直角坐标系，具体地，设水平方向为x轴，垂直于水平方向为y轴，垂直于屏幕方向为z轴；进而，所述外接球的球心坐标为(x1,y1,z1)；

s4、在已建立的所述空间直角坐标系内建立与所述金字塔成像装置一致的金字塔模型，其中，金字塔模型底面中心点位于所述空间直角坐标系的原点上，金字塔模型高度为h，根据金字塔模型高度h得出金字塔模型五个顶点的坐标；

为保证正方体模型在实际金字塔成像装置中成像完整，因此，应根据实际金字塔成像装置的尺寸将物理空间坐标进行相应的缩放操作和平移操作；因此，设实际金字塔成像装置的高度为h，三维影像在实际金字塔成像装置成像时竖直方向允许的最大高度为h′＝γh，其中，γ为高度缩放系数(0＜γ＜1)；

h′高度处对应的水平面与实体金字塔的切面(正方形)尺寸为：

a＝2(1-γ)h公式(1)

对于该切面以下的显示区域可以包含的球体直径为：

d＝min(2(1-γ)h,γh)公式(2)

由公式2可知，当γ＝2/3时，对应可包含球体最大，如图6所示；对应物理金字塔成像装置五个顶点的坐标为：

s5、根据金字塔模型高度h和所述外接球的直径d计算出对应于所述金字塔模型的缩放系数为3d/2h，即使所述金字塔模型经过缩放后其内部空间能够完全容纳所述外接球；

s6、将所述金字塔模型在空间直角坐标系内进行缩放，

进一步，以(x1,y1-d/2,z1)为平移向量，通过平移使所述金字塔模型平移至所述外接球处，且所述外接球与所述金字塔模型底面相切，所述外接球与所述金字塔模型的接触点刚好为所述金字塔模型的底面中心点；平移后的金字塔模型的五个顶点坐标变换为：

进一步简化计算后得到：

上述公式(6)为建立三维立体数值模型对应的金字塔模型的普遍适用通式；简而言之，当已知三维立体数值模型对应的外接球直径和外接球的球心坐标，即可直接得到对应该三维立体数值模型的金字塔模型。

s7、将经步骤s6得到的内置有外接球和三维立体数值模型的所述金字塔模型变换为俯视所述金字塔模型，并以步骤s6中所述金字塔模型的顶部顶点为原点建立平面直角坐标系，其中，设水平方向为x轴，向右为正方向，垂直于水平方向为y轴，向上为正方向；进而，沿x轴正方向看将位于该视角下的三维立体数值模型沿x轴逆时针翻转90°得到其正面视图，沿x轴顺时针翻转90°得到其后面视图；沿y轴正方向看将位于该视角下的三维立体数值模型沿y轴逆时针翻转90°得到其右侧视图，沿y轴顺时针翻转90°得到其左侧视图，如图；

s8、将经过步骤s7得到的前面视图(w1)、后面视图(w3)、右侧视图(w2)和左侧视图(w4)合并为一张可直接用于所述图像显示装置显示的二维视图，如图9、图10和图11所示；将得到四分格图像通过投影仪投影，显示装置下方的所述金字塔成像装置，最终在所述金字塔成像装置呈现出正方体模型的三维图像，如图12所示。

利用上述金字塔三维成像装置进行三维成像时，投影仪3刚好在平面镜4的反射范围内且光线被反射到全息投影膜上，并在深灰色半透明全息投影膜中呈现出投影仪的投射的四分格图像；经过金字塔成像装置6的每块斜向45°设置的梯形透明板的反射作用，反射到全息投影膜上的图像利用镜面反射原理在虚像平面上形成可被人眼识别的二维虚像，如图5所示；由于金字塔成像装置6由设置在前、后、左、右四个面上的梯形透明板构成，因而各个面上均会发生反射并形成虚像平面，因此，当投影仪3投影出的画面为经过处理的四分格的图像时，四分格图像的各个图像分别通过镜面反射原理反射到金字塔成像装置6的四个梯形透明板上构成了物体的前、后、左、右四个面，最终，在金字塔成像装置中形成人眼识别的伪全息三维虚像。

其中，如图9和图10所示，所述四分格图像即将一个三维图形在一定视角下的前面视图(w1)、后面视图(w3)、右侧视图(w2)和左侧视图(w4)显示在一个画面平面上，并根据金字塔三维成像原理对四幅图像进行布局，使四分格图像通过镜面反射原理反射到金字塔成像装置6时会将这些平面组装在一起而形成一个三维虚像。在实际操作中通过在计算机构成金字塔所对应的数值图像，然后通过三维映射的方法来构成数值模型的四分格图像，这一过程可以理解为金字塔三维成像过程的反过程。