專利名稱：腳型三維重建的多視成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種成像裝置，特別是一種針對腳型三維重建的多視成像裝置。
背景技術：
對物體進行三維重建的過程中標定是一個非常重要的步驟，現(xiàn)有技術中的標定方法需要在相機前放置一個已知形狀和尺寸的物體(稱為標定參照物)，計算出相機的位置， 然后拿開標定參照物，再對需要三維重建的物體進行拍照，通過空間點和圖像點之間的對應關系進行三維重建。微軟研究院的張正友采用兩到三個相互正交的平面組成標定模板做為標定參照物，因為簡便實用被廣泛接受，但張正友的方法需要先對標定參照物成像，然后拿開標定參照物再次對物體成像，把標定成像和重建成像分成兩個步驟；并且由于采用了不透明的標定模板，不能適用于全周多方位成像的多視重建；本發(fā)明的研究對象為腳，需要將腳放置在某一支撐物上，支撐物必然影響腳底部分的圖像采集，張正友的標定方法不適用；如果將腳懸空成像，必然存在抖動問題，影響成像效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種能為多視三維重建提供充分圖像信息的多視成像裝置，具有適合腳型三維重建、結(jié)構(gòu)簡單、標定過程簡單、具有能承載腳重的標定模板、場景不需要在標定成像和重建成像之間進行切換等特點。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種腳型三維重建的多視成像裝置，具有載重功能的腳型標定模板、相機支撐框架、至少六個相機、計算機，所述腳型標定模板為透明的有機玻璃板，所述腳型標定模板上具有多行多列且相隔一定間距的格子線， 所述腳型標定模板中心設置有中心標識，所述中心標識外圍還設置有方位標識組，所述相機支撐框架具有多個不同視角的相機支撐點，所述至少六個相機以不同視角盡可能多的提供三維重建圖像信息、可移動的方式分布在相機支撐框架上，所述腳型標定模板通過支架設置在相機支撐框架中，所述至少六個相機朝向腳型標定模板中心標識，所述至少六個相機通過USB數(shù)據(jù)傳輸接口和計算機相聯(lián)接，所采集到的數(shù)碼圖像由運行在計算機上的軟件系統(tǒng)進行三維重建。作為一種改進，所述格子線為相互垂直的縱橫線，所述中心標識為“0”字與“十”字的疊加體，所述方位標識組至少為不同圖案組合的三組，所述方位標識組相對于中心標識位于不同的層次上，所述每組方位標識組為在同一層次上大致均勻分布的四個圖案，“0” 字與“十”字的疊加體方便了坐標原點的確定和坐標系的建立，至少三組且位于不同的層次上的四個圖案能確定方位，且在腳型遮擋住部分方位標識后仍能方便地辨識方位，減少三維重建的計算量。作為一種改進，所述腳型標定模板下方相機采集到的圖像中每一像素點根據(jù)已知參數(shù)包括腳型標定模板厚度、相機坐標，相機離腳型標定模板高度、像素點坐標、折射率，計算出像素點在相機平面上偏移距離du和dv，重新成像。處于腳型標定模板下方的位置的相機，必須透過有腳型標定模板成像，由于光線穿過腳型標定模板時有側(cè)向偏移，因此下方的相機所成圖像經(jīng)過補償計算后用于多視重建，保證圖像的準確性。作為一種改進，所述相機位置的布置包括有以下步驟
計算腳型的統(tǒng)計變形模型；
b.根據(jù)已知參數(shù)(包括相機焦距，目標大小)，計算相機分布球的半徑R；
c.在相機分布球上計算出包含腳型統(tǒng)計變形模型中主形狀因子信息量最多的相機位
置；
d.確定輸出的相機位置點，增加該相機位置下可見模型點及輪廓上模型點的信息量， 并刪除在輪廓內(nèi)成像信息量、輪廓上成像信息量分別大于設定閾值的模型點；
e.重新計算模型點減少后的新腳型統(tǒng)計變形模型；
f.重復步驟c>d、e，直至統(tǒng)計變形模型中所有模型點都被充分成像，都能夠根據(jù)圖像信息重建出來；
g.輸出相機位置點的坐標，據(jù)此坐標布置相機。模型點在輪廓內(nèi)成像信息量以及模型點在輪廓上成像信息量的閾值設定能保證所有模型點能夠有充分的被完整的重建，根據(jù)腳型統(tǒng)計變形模型計算得出的相機位置，能充分、有效地為三維重建提供圖像信息，各視的信息量最大，各視間信息的冗余最少，有利于三維重建。作為一種改進，所述相機支撐框架包括有四根相互平行、相鄰間距相同且等高的縱梁，所述四根縱梁上端通過兩根相同且中部交叉連接的橫梁固定，所述四根縱梁中下部之間設置有四根圍成方形的支撐梁，所述四根支撐梁中相對設置的一對支撐梁之間設置有兩模板支撐梁，所述腳型標定模板通過兩模板支撐梁設置在相機支撐框架中，采用上述結(jié)構(gòu)的相機支撐框架結(jié)構(gòu)簡單，整體上是個立方體，通過與夾子配合使要求處于同一球面上的多個相機定位容易；腳型標定模板通過兩模板支撐梁設置在相機支撐框架中結(jié)構(gòu)牢固， 安裝容易，使用方便。作為一種改進，每一相機所在半徑的延長線上設置有相同的燈源，所述燈源位于同一球面上，采用上述結(jié)構(gòu)的燈源布置，沒有強烈光源的光照環(huán)境，不會在腳表面產(chǎn)生反射，成像自然，視圖像中沒有強烈光線的圖像塊，減少了圖像噪聲，提高了圖像信息量，有利
于后續(xù)三維重建。本發(fā)明設置有腳型標定模板，腳型標定模板上具有多行多列且相隔一定間距的格子線，所述腳型標定模板中心設置有中心標識，中心標識的設置使相機與燈源朝向明確，同時中心標識能做為三維坐標系的原點，為三維重建軟件計算提供了參考點；根據(jù)相隔一定間距的格子線及其交叉點在各相機中的成像能夠計算出各相機的位置，解決了相機的標定問題；腳型標定模板為透明的有機玻璃板，結(jié)構(gòu)牢固，能作為腳重的承載平臺，同時透明的有機玻璃板不影響有機玻璃板下方相機采集圖像，無需移開腳型標定模板進行采集腳底部分圖像；相機支撐框架具有多個不同視角的相機支撐點，有利于從不同視角采集相機圖像。


圖1為本發(fā)明腳型三維重建的多視成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為腳型標定模板的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為處于腳底位置的視圖像的關系示意模型； 圖4為本發(fā)明的笛卡爾坐標和球坐標示意圖； 圖5為本發(fā)明的總體布置結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種腳型三維重建的多視成像裝置的具體實施方式
，包括有
1)相機支撐框架1 如圖1所示，所述相機支撐框架1設置有四根相互平行、間距相同且等高的縱梁11，所述四根相互平行的縱梁11上端通過兩個相互交叉的橫梁12固定，所述四根相互平行且間距相同的縱梁11中下部之間設置有四根支撐梁13，所述四根支撐梁13 中的相對設置的撐梁13上設置有兩模板支撐梁14，所述標定模板2通過兩模板支撐梁14 設置在相機支撐框架1中，所述相機3通過夾子設置在相機支撐框架1上，一種優(yōu)選方案， 所述縱梁11為1. 7m，橫梁12長度為2. Im,四條縱梁11和兩條橫梁12條方形鋼條作成一個長方體的框架，在高度0. 7m的地方用四根支撐梁13圍成方形，然后方形的中間放置間距
0.7m的兩模板支撐梁14。2)腳型標定模板2 如圖2所示，所述腳型標定模板2為透明的有機玻璃板，所述腳型標定模板2上具有多行多列且相隔一定間距的格子線，所述腳型標定模板2中心設置有中心標識，所述中心標識外圍還設置有方位標識組，所述腳型標定模板2通過支架設置在相機支撐框架1中，一種優(yōu)選方案，所述腳型標定模板2是一塊長寬0. 5mX0. 7m、厚 5cm的有機玻璃板，由聚甲基丙烯酸甲酯組成，高度透明，透光率達90% -92%，折射率η為
1.49，用直徑Icm的平頭銑刀在有機玻璃板上刻標識，單面如圖2所示，共16X16條縱橫線，線間距3cm，中心標識為“0”字與“十”的疊加體，以腳型標定模板2為原點，縱橫線中的橫線為X軸，縱橫線的縱線為Y軸，方位標識組的位置及布局如下坐標為[10. 5,1.5) (-7.5，-1.5)]方格中有0字；坐標為[(-10. 5，10. 5) (-7.5,7.5)]的方格中有1字；坐標為[(7. 5，10. 5) (10.5,7.5)]的方格中有 2 字；坐標為[(7. 5，-7. 5) (10.5,-10.5)]的方格中有4字；坐標為[(-10. 5，-7. 5) (-7. 5，-10. 5)]的方格中有3字；坐標為[(-16. 5， 16.5) (-13. 5，13. 5)]的方格中有 6 字；坐標為[(13. 5，16. 5) (16. 5，13. 5)]的方格中有 7 字；坐標為[(13. 5，-13.5) (16.5，-16.5)]的方格中有 8 字；坐標為[(-16. 5，-13.5) (-13. 5，-16. 5)]的方格中有 9 字；坐標為[(-19. 5，19. 5) (-16. 5，16. 5)]的方格中有”/” 字；坐標為[(16.5,19.5) (19.5,16.5)]的方格中有” X ” 字；坐標為[(16. 5，-16.5) (19.5,-19.5)]的方格中有” *” 字；坐標為[(-19. 5，-16. 5) (-16. 5，-19. 5)]的方格中有” 十”字；坐標為[(-22. 5,22. 5) (-19. 5，19. 5)]的方格中有” 0” 字；坐標為[(19. 5,22. 5) (22.5,19.5)]的方格中有” 00” 字；坐標為[(19.5，-19.5) (22.5，-22.5)]的方格中有” 000” 字；坐標為[(-22. 5，-19. 5) (-19. 5，-22. 5)]的方格中有” 0000” 字。上述方位標識組為不同圖案的四組，每組方位標識組為相對于中心標識位于不同的層次上的四個圖案，設置方位標識組有利于辨識方位，降低建模中的計算量；采取至少三組方式標識，是為了防止腳遮住部分方位標識后的仍能方便地辨識方位，方位標識設計三組或五組或其它組數(shù)也可。3)腳底圖像的補償。如圖1所示，有三個相機3處于腳型標定模板2下方的位置， 必須透過有機玻璃板成像，由于光線穿過有機玻璃板時有側(cè)向偏移，因此下方的相機3所像圖像必須經(jīng)過補償計算后才能用于多視重建，處于腳底位置的視成像模型如圖3所示。 補償方法如圖3所示，腳型標定模板2下方相機3采集到的圖像中每一像素點根據(jù)已知參數(shù)，包括標定模板厚度D、相機3坐標、相機3離腳型標定模板高度H、像素點坐標、折射率n， 計算出像素點在相機平面上偏移距離du和dv，重新成像。相機3在玻璃板下高H的地方， 按幾何光學的原理，模板上的點Ρ(Χρ，Υρ，0)成像為ρ，相比沒有玻璃板的情況，側(cè)向移動了距離d
權(quán)利要求
1.一種腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是包括有具有載重功能的腳型標定模板(2)、相機支撐框架(1)、至少六個相機(3)、計算機，所述腳型標定模板(2)為透明的有機玻璃板，所述腳型標定模板(2)上具有多行多列且相隔一定間距的格子線，所述腳型標定模板(2)中心設置有中心標識，所述中心標識外圍還設置有方位標識組，所述相機支撐框架 (1)具有多個不同視角的相機支撐點，所述至少六個相機(3)以不同視角盡可能多的提供三維重建圖像信息、可移動的方式分布在相機支撐框架(1)上，所述腳型標定模板(2)通過支架設置在相機支撐框架(1)中，所述至少六個相機(3)朝向腳型標定模板(2)中心標識，所述至少六個相機(3)通過USB數(shù)據(jù)傳輸接口和計算機相聯(lián)接，所采集到的數(shù)碼圖像由運行在計算機上的軟件系統(tǒng)進行三維重建。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述格子線為相互垂直的縱橫線，所述中心標識為“0”字與“十”字的疊加體，所述方位標識組至少為不同圖案組合的三組，所述方位標識組相對于中心標識位于不同的層次上，所述每組方位標識組為在同一層次上大致均勻分布的四個圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征在于所述腳型標定模板(2)下方相機(3)采集到的圖像中每一像素點根據(jù)已知參數(shù)包括腳型標定模板厚度、相機(3)坐標，相機(3)離腳型標定模板高度、像素點坐標、折射率，計算出像素點在相機平面上偏移距離du和dv，重新成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機(3) 位置的布置包括有以下步驟a.計算腳型的統(tǒng)計變形模型；b.根據(jù)已知參數(shù)(包括相機焦距，目標大小)計算相機分布球的半徑R；c.在相機分布球上計算出包含腳型統(tǒng)計變形模型中主形狀因子信息量最多的相機位置；d.確定輸出的相機位置點，增加該相機位置下可見模型點及輪廓上模型點的信息量， 并刪除在輪廓內(nèi)成像信息量、輪廓上成像信息量分別大于設定閾值的模型點；e.重新計算模型點減少后的新腳型統(tǒng)計變形模型；f.重復步驟c>d、e，直至統(tǒng)計變形模型中所有模型點都被充分成像，都能夠根據(jù)圖像信息重建出來；g.輸出相機位置點的坐標，據(jù)此坐標布置相機。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機(3)位置的布置包括有以下步驟ι.計算腳型的統(tǒng)計變形模型；b.根據(jù)已知參數(shù)(包括相機焦距，目標大小)計算相機分布球的半徑R；c.在相機分布球上計算出包含腳型統(tǒng)計變形模型中主形狀因子信息量最多的相機位置；d.確定輸出的相機位置點，增加該相機位置下可見模型點及輪廓上模型點的信息量， 并刪除在輪廓內(nèi)成像信息量、輪廓上成像信息量分別大于設定閾值的模型點；e.重新計算模型點減少后的新腳型統(tǒng)計變形模型；f.重復步驟c> d、e，直至統(tǒng)計變形模型中所有模型點都被充分成像，都能夠根據(jù)圖像信息重建出來；g.輸出相機位置點的坐標，據(jù)此坐標布置相機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機支撐框架(1)包括有四根相互平行、相鄰間距相同且等高的縱梁(11)，所述四根縱梁(11)上端通過兩根相同且中部交叉連接的橫梁(12)固定，所述四根縱梁(11)中下部之間設置有四根圍成方形的支撐梁(13)，所述四根支撐梁(13)中相對設置的一對支撐梁(13)之間設置有兩模板支撐梁(14)，所述腳型標定模板(2)通過兩模板支撐梁(14)設置在相機支撐框架 (1)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機支撐框架(1)包括有四根相互平行、相鄰間距相同且等高的縱梁(11)，所述四根縱梁(11)上端通過兩個相同且中部交叉連接的橫梁(12)固定，所述四根縱梁(11)中下部之間設置有四根圍成方形的支撐梁(13)，所述四根支撐梁(13)中相對設置的一對支撐梁(13)之間設置有兩模板支撐梁(14)，所述腳型標定模板(2)通過兩模板支撐梁(14)設置在相機支撐框架 (1)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機支撐框架 (1)包括有四根相互平行、相鄰間距相同且等高的縱梁(11)，所述四根縱梁(11)上端通過兩個相同且中部交叉連接的橫梁(12)固定，所述四根縱梁(11)中下部之間設置有四根圍成方形的支撐梁(13)，所述四根支撐梁(13)中相對設置的一對支撐梁(13)之間設置有兩模板支撐梁(14)，所述腳型標定模板(2)通過兩模板支撐梁(14)設置在相機支撐框架(1) 中。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是所述相機支撐框架 (1)包括有四根相互平行、相鄰間距相同且等高的縱梁(11)，所述四根縱梁(11)上端通過兩個相同且中部交叉連接的橫梁(12)固定，所述四根縱梁(11)中下部之間設置有四根圍成方形的支撐梁(13)，所述四根支撐梁(13)中相對設置的一對支撐梁(13)之間設置有兩模板支撐梁(14)，所述腳型標定模板(2)通過兩模板支撐梁(14)設置在相機支撐框架(1) 中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腳型三維重建的多視成像裝置，其特征是每一相機(3)所在半徑的延長線上設置有相同的燈源(4)，所述燈源(4)位于同一球面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種腳型三維重建的多視成像裝置，具有載重功能的腳型標定模板、相機支撐框架、至少六個相機、計算機，所述腳型標定模板通過支架設置在相機支撐框架中，所述至少六個相機朝向腳型標定模板中心標識，所述至少六個相機通過USB數(shù)據(jù)傳輸接口和計算機相聯(lián)接，所采集到的數(shù)碼圖像由運行在計算機上的軟件系統(tǒng)進行三維重建，具有成像成本低廉、安裝簡單、成像準確、三維重建快速等特點。
文檔編號G06T7/00GK102236246SQ201010160429
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者羅勝 申請人:溫州大學