三维模型重建系统以及用于该系统的环形图像采集装置的制作方法

本实用新型涉及三维模型重建技术领域，更具体地讲，涉及一种三维模型重建系统以及用于该系统的环形图像采集装置。

背景技术：

随着三维建模技术的快速发展，基于图像的三维建模和渲染成为三维建模技术是目前相对活跃的研究领域，人们利用图像序列作为基础数据，经过程序算法重建出物体的三维模型。三维建模技术具备处理周期短、自动化程度高和重建效果好等优点，因此，在文物数字化、虚拟现实系统、3D打印、影视游戏等领域三维建模技术有着广泛的应用，比如Autodesk Recap360以云端形式运行，用户只要将上传照片至云端，即可全自动生成三维模型。

现有技术中，三维模型重建技术存在着一定的局限性。例如，在数据获取方面，由于受单一摄像头的视角限制，无法获取足够的图像数据，另外，手持式拍摄设备要求被拍摄物体保持静止，但对于非静态物体，比如人体、动物等会造成拍摄获取的数据存在质量问题，且手持式拍摄设备也可能因抖动造成对焦不准、运动模糊的问题出现从而影响有效数据的获取。又例如，在数据处理阶段，一部分平台不提供本地离线的应用程序，所以需要用户上传图像数据处理且功能单一，比如北科光大3DCloud平台和Autodesk Recap360，虽然操作简单，但用户无法配置三维模型重建的参数，对于提供了本地离线的应用程序的部分平台，其高度的自定义配置需要用户掌握专业知识才能熟练使用，比如3DF Zephyr需要用户设置摄像头参数、配置点云的生成参数以及为了获取更好的三维模型重建效果而需要设置的其他更详细的配置。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种基于环形图像采集的三维模型重建系统以及用于该系统的环形图像采集装置。

根据本实用新型的一方面，提供了一种三维模型重建系统，包括环形图像采集装置和中央处理设备，环形图像采集装置与中央处理设备连接，接收从中央处理设备输出的控制信号并根据该控制信号来采集被拍摄对象的目标图像数据，中央处理设备接收环形图像采集装置所采集的目标图像数据并对采集的目标图像数据进行处理以完成三维模型的重建，所述环形图像采集装置包括环绕被拍摄对象的支撑设备和安装在支撑设备上的多个摄像头。

优选地，所述环形图像采集装置还包括至少一个照明设备，所述至少一个照明设备安装在所述支撑设备上。

优选地，所述多个摄像头与中央处理设备之间通过无线连接进行数据传输，所述中央处理设备控制所述多个摄像头采集目标图像数据，并对采集的目标图像数据进行接收、存储和处理。

优选地，所述支撑设备为360度环形放置的立体设备，所述中央处理设备预先设置有用于所述多个摄像头的固定拍摄参数和用于三维模型重建的固定建模参数。

优选地，所述环形图像采集装置还包括两个供电电源和一个稳压电源，所述稳压电源分别与两个供电电源有线连接，所述两个供电电源分别连接照明设备和多个摄像头。

优选地，所述支撑设备为360度环形放置的多个柱体柜，其中，所述柱体柜面向被拍摄对象的一侧设有多个安装孔，所述多个摄像头通过所述多个安装孔分别安装在柱体柜内并透过相应的安装孔采集目标图像数据。

优选地，所述多个柱体柜中包括至少一个可移动柱体柜，所述可移动柱体柜的底部设置有滑轮。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种环形图像采集装置，包括拍摄设备和用于安装所述拍摄设备的支撑设备，其中，所述支撑设备为环形放置的立体设备以使被拍摄对象位于其中，所述拍摄设备包括多个摄像头，被配置用于采集被拍摄对象的目标图像数据。

优选地，所述支撑设备为360度环形放置的多个柱体柜，所述柱体柜面向被拍摄对象的一侧设有多个安装孔，所述多个摄像头分别安装在多个柱体柜内并透过对应的安装孔来采集被拍摄对象的目标图像数据。

优选地，所述多个柱体柜中包括至少一个可移动柱体柜，所述可移动柱体柜的底部设置有滑轮。

本实用新型解决了数据获取方面存在的单一摄像头的视角限制问题和手持式拍摄的抖动问题，还解决了在数据处理方面需要用户掌握专业知识、设置摄像头参数和配置点云的生成参数等问题，从而提高了数据获取的质量和加快数据处理的速度，更大范围的实现了三维模型的快速扫描和重建。

附图说明

下面将结合附图进行本实用新型的详细描述，本实用新型的上述特征和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是本实用新型的实施例的三维模型重建系统的框图；

图2是本实用新型的示例性实施例的由360度环形放置的32个柱体柜组成的环形图像采集装置的示意图；

图3是本实用新型的实施例的三维模型重建系统的中央处理设备的框图；

图4是本实用新型的实施例的环形图像采集装置的框图。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述以帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本实用新型的示例性实施例。其中，相同的标号始终表示相同的部件。

图1是示出本实用新型的实施例的三维模型重建系统的框图。

如图1所示，根据本实用新型的实施例的三维模型重建系统100，包括环形图像采集装置101和中央处理设备102，其中，环形图像采集装置101与中央处理设备102连接，接收从中央处理设备102输出的控制信号并根据该控制信号来采集被拍摄对象的目标图像数据，中央处理设备102接收环形图像采集装置101采集的目标图像数据并对采集的目标图像数据进行处理以完成三维模型的重建。

环形图像采集装置101包括环绕被拍摄对象的支撑设备和安装在支撑设备上的多个摄像头。根据本实用新型的实施例，具体地，支撑设备为360度环形放置的立体设备，例如支撑设备为360度环形放置的多个柱体柜，其中，柱体柜面向被拍摄对象的一侧设有多个安装孔，多个摄像头分别通过多个安装孔安装在柱体柜内，并透过相应的安装孔采集目标图像数据，且多个柱体柜中包括至少一个可移动柱体柜，可移动柱体柜的底部设置有用于移动的滑轮。环形图像采集装置101还包括至少一个照明设备安装在支撑设备上。根据上述举例，至少一个照明设备安装在360度环形放置的多个柱体柜的面向被拍摄对象的一侧，例如，分别在单个柱体柜的上下不同位置处安装2个灯管或者在柱体柜与柱体柜之间的上下不同位置处安装多个灯泡等，安装至少一个照明设备是用来保证环形图像采集装置101的多个摄像头进行目标图像数据采集时所需的光照条件。应理解，上述对于灯管和灯泡的举例仅是示例性举例，本实用新型可采用的照明设备不限于此。下面将参照图2来详细说明支撑设备由多个柱体柜组成的环形图像采集装置。

图2是示出本实用新型的示例性实施例的由360度环形放置的32个柱体柜组成的环形图像采集装置的示意图。

如图2所示，环形图像采集装置的支撑设备由360度环形放置的32个柱体柜组成，且32个柱体柜环形紧密排列，其中，1个柱体柜为可移动柱体柜，用于在被拍摄对象进出环形图像采集装置时开启，其余31个柱体柜均固定在地面上为不可移动柱体柜。可移动柱体柜底部设置有滑轮，例如2个或者4个万向轮等，可使该可移动柱体柜在被拍摄对象进出环形图像采集装置时随时移动。另外，360度环形放置的32个柱体柜的每个柱体柜面向被拍摄对象的一侧分别设置有6个安装孔，每个安装孔对应的柱体柜内位置处安装有相应的零部件用以安装摄像头，例如，单反相机等拍摄设备。安装在360度环形放置的32个柱体柜的面向被拍摄对象的一侧还有多个灯管，用于提供多个摄像头进行目标图像数据采集时所需的光照条件。根据本实用新型的实施例，依据被拍摄对象的大小、形状和三维建模要求来确定所需摄像头的数量和/或安装位置，可选择在所有安装孔对应的柱体柜内位置处分别安装摄像头，也可选择在部分安装孔对应的柱体柜内位置处分别安装摄像头，即安装的摄像头的总数量不能超过安装孔的总数量。例如，在所有安装孔对应的柱体柜内位置处分别安装摄像头，即安装192个摄像头进行目标图像数据的采集，假设安装的摄像头中的每个摄像头的分辨率均为2448*3246，则在进行目标图像数据采集时，可依据被拍摄对象的大小和形状选择全部开启或者部分开启分辨率为2448*3246的摄像头来采集被拍摄对象的目标图像数据。

返回图1，支撑设备还可以是360度环形放置的多个支架或者一个完整的360度环形支架网。当支撑设备是360度环形放置的多个支架时，360度环形放置的多个支架紧密排列且包括至少一个可移动支架，且可移动支架的底部设置有滑轮，多个支架面向被拍摄对象的一侧分别安装有多个摄像头和照明设备，其中，安装的摄像头的总数量依据被拍摄对象的大小、形状和三维建模要求进行设定并安装，至少一个照明设备应安装在单个支架上的不同位置处或者两个支架之间的不同位置处等，例如在每个支架的上下不同位置处安装灯泡或者挂放灯管等。当支撑设备是一个完整的360度环形支架网时，则该360度环形支架网可在被拍摄对象进出环形图像采集装置时随时进行开合，例如，在360度环形支架网上设置一个或多个可进行开合的方形门等，且该360度环形支架网的面向被拍摄对象的一侧安装有多个摄像头和多个照明设备，其中，安装摄像头的总数量依据被拍摄对象的大小、形状和三维建模要求进行设定并安装。应理解，上述对于方形门的举例仅是示例性举例，本实用新型可采用的设置360度环形支架网进行开合的方式不限于此。

环形图像采集装置101还包括两个供电电源和一个稳压器，其中，稳压器分别与两个供电电源进行有线连接，两个供电电源分别有线连接环形图像采集装置的照明设备和多个摄像头。两个供电电源分别为环形图像采集装置101中的多个摄像头和照明设备提供电源，稳压器用于使环形图像采集装置101的电压维持在恒定电压，根据本实用新型的实施例，例如，供电电源可以选择使用两个UPS分别对多个摄像头和照明设备供电，其中，UPS为不间断供电电源，是能够提供持续、稳定、不间断电源供应的重要外部设备。

中央处理设备102为安装在距离环形图像采集装置101一定范围内的计算机，且该计算机内安装有用于三维模型重建的建模软件，该建模软件中预先设置有用于多个摄像头进行拍摄的固定拍摄参数和用于三维模型的重建的固定建模参数，其中，固定拍摄参数是中央处理设备102控制多个摄像头进行目标图像数据采集时设置的参数，例如等效焦距、照片内容重合率、光学畸变等，固定建模参数是中央处理设备102对采集的目标图像数据进行三维建模时设置的参数，例如点云的生成参数、特征点数量、匹配精度等。中央处理设备102与环形图像采集装置101中的多个摄像头之间通过无线进行数据传输，例如通过WIFI或者蓝牙等进行数据传输，其中，中央处理设备102控制多个摄像头采集目标图像数据，多个摄像头将采集的目标图像数据无线传输至中央处理设备102中，中央处理设备102对采集的目标图像数据进行接收、存储和分析处理。应理解，上述对于固定拍摄参数和固定建模参数的举例仅是示例性举例，本实用新型预先设置的固定拍摄参数和固定建模参数不限于此。

下面将参照图3来详细说明三维模型重建系统的中央处理设备。

图3是示出本实用新型的实施例的三维模型重建系统的中央处理设备的框图。

如图3所示，中央处理设备102包括调度单元1、存储单元2和计算单元3，其中，调度单元1用于接收用户输入并根据用户的输入向环形图像采集装置101发送采集目标图像数据的控制信号，存储单元2用于对调度单元1接收的目标图像数据进行存储，计算单元3用于对调度单元1接收的目标图像数据进行分析处理以完成三维模型的重建。根据本实用新型的实施例，假设中央处理设备102是一台配置为Windows 10系统、Inteli7-7700k、16.0GB内存、GTX 1070Ti GPU的计算机，其中，GPU是图形处理器(Graphics Processing Unit)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。具体地，调度单元1获取用户的输入并向环形图像采集装置101发送相应的控制信号，例如，启动该建模软件，用户在建模软件主界面处点击“捕获数据”，则调度单元1获取用户的该项操作，并产生控制环形图像采集装置101采集目标图像数据的控制信号。然后，调度单元1向环形图像采集装置101发送采集目标图像数据的控制信号以控制多个摄像头进行拍摄，多个摄像头根据接收的控制信号对被拍摄对象进行图像数据的采集，并将采集得到的目标图像数据无线传输至中央处理设备102，调度单元1接收无线传输的目标图像数据并存储目标图像数据至存储单元2。根据本实用新型的实施例，存储单元2包括寄存器、高速缓冲存储器和主存储器，其中，寄存器和高速缓冲存储器制作在CPU芯片上，主存储器为插在主板内存插槽中的内存条。在调度单元1控制环形图像采集装置101采集目标图像数据时，照明设备也相应的开启以保证采集目标图像数据所需的光照条件，其中，照明设备的开启方式包括人工手动开启或者由调度单元1控制开启两种方式，其中，调度单元1控制开启的方式是在调度单元1向环形图像采集装置101发送目标图像数据采集的控制信号的同时，也发送控制照明设备开启的控制信号。根据上述举例，用户在建模软件的主界面处点击“生成模型”，则计算单元3对目标图像数据进行数据分析和处理以生成三维模型，并将生成的三维模型按照指定文件格式导出，其中，计算单元3对目标图像数据进行数据分析和处理包括对预先存储在存储单元2的目标图像数据进行数据分析和处理以及对调度单元1接收的目标图像数据直接进行数据分析和处理两种。根据上述举例，环形图像采集装置101中安装有192个分辨率为2448*3246的摄像头，则调度单元1接收存储的目标图像数据为192张离散的图像，计算单元3对192张离散图像数据进行特征提取、立体匹配、点云处理和纹理映射以完成三维模型的重建。特征提取包括特征点提取、特征线提取和区域提取，一般情况下是提取特征点为匹配基元，常见的特征点提取算法包括基于方向导数的提取方法、基于图像亮度对比关系的提取方法和基于数学形态学的提取方法。立体匹配是根据所提取的特征点建立图像对之间的对应关系，也就是将同一物理空间点在两幅不同图像中的成像点进行一一对应，从而估计出摄像头的拍摄参数，分析摄像头的位置和姿态并得出稀疏的3D信息，在进行立体匹配时需要注意场景中一些因素的干扰，比如光照条件、噪声干扰、景物几何形状畸变、表面物理特性以及摄像头特性等诸多变化因素。点云处理是根据特征点和拍摄参数对采集的目标图像进行稠密重建和去噪处理以得到点云模型。最后，再采用纹理映射算法生成点云模型的纹理，以完成三维模型的重建。根据上述举例，用户在建模软件的主界面处点击“导出模型”，则计算单元3将生成的三维模型按照指定文件格式导出时，可选择例如Wavefront obj(*.obj)文件格式、format(*.fbx)文件格式或者Collada DAE(*.dae)文件格式导出生成的三维模型。应理解，上述对于指定文件格式的举例仅是示例性举例，本实用新型可采用的指定文件格式不限于此。

图4是示出本实用新型的实施例的环形图像采集装置的框图。

如图4所示，环形图像采集装置200包括拍摄设备201和用于安装所述拍摄设备201的支撑设备202。根据本实用新型的实施例，支撑设备202为环形放置的立体设备以使被拍摄对象位于其中，拍摄设备201包括多个摄像头，其中，多个摄像头用于采集被拍摄对象的目标图像数据。具体地，支撑设备202为360度环形放置的多个柱体柜，柱体柜面向被拍摄对象的一侧设有多个安装孔，多个摄像头分别安装在多个柱体柜内并透过对应的安装孔来采集被拍摄对象的目标图像数据。其中，多个柱体柜中至少包括一个可移动柱体柜，用于在被拍摄对象进出支撑设备202时随时进行移动，可移动柱体柜是通过在其底部设置滑轮来实现随时移动。

本实用新型的优点在于：解决了数据获取方面存在的单一摄像头的视角限制问题和手持式拍摄的抖动问题，还解决了在数据处理方面需要用户掌握相关专业知识，例如设置摄像头参数和配置点云的生成参数等问题，不仅提高了数据获取的质量，加快了数据处理的速度，还扩大了三维模型重建系统的适用范围，实现了对三维模型的快速扫描和重建。

上述实施例尽管已经参照本实用新型的特定示例性实施例显示和描述了本实用新型，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的各种改变。