平码五不中公式规律
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单表面三维重构方法、装置和系统.pdf

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表面 三维 方法 装置 系统
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摘要
申请专利号:

CN201611019581.9

申请日:

2016.11.17

公开号:

CN106683187A

公开日:

2017.05.17

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 著录事项变更IPC(主分类):G06T 17/30变更事项:发明人变更前:乔杨 潘越 徐熙平 徐昕阳变更后:乔杨 潘越 徐熙平 徐昕阳 邱柏赫|||实质审查的生效IPC(主分类):G06T 17/30申请日:20161117|||公开
IPC分类号: G06T17/30 主分类号: G06T17/30
申请人: 长春理工大学
发明人: 乔杨; 潘越; 徐熙平; 徐昕阳
地址: 130022 吉?#36136;?#38271;春市卫星路7089号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#24066;惠?#19979;?#24072;事务所 11353 代理人: 逯博
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611019581.9

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2018.02.09|||2017.06.09|||2017.05.17

法律状态类型:

著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明实施例提供了单表面三维重构方法、装置和系统,通过发光端采用自然光作为入射光照射目标的前表面,入射光经由前表面反射,获得反射光,由相机端对反射光进行接收。在进行三维重构时,一方面,利用了偏振分析方法,求得了法向量,进而求得了入射光和反射光的方向向量;另一方面,利用了三角测量方法分别确定了符合入射光方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合反射光方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置。由于同时采用了三角测量方法以及偏振分析方法获取重构所需信息,确定出入射光?#30446;?#38388;位置和反射光?#30446;?#38388;位置,依据两者交点进行重构,从而简化了三维重构的计算步骤。

权利要求书

1.一种单表面三维重构方法,其特征在于,用于在三角测量光?#20998;?#23545;目标的具有镜面
反射的前表面进行三维重构,所述三角测量光路的发光端采用自然光作为入射光照射所述
前表面,所述三角测量光路的相机端获得所述前表面所反射出的反射光,所述方法包括:
根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向量;
由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出所述反射光的方向向量;
利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方向向量;
根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的像素点标定,确定符合所
述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方向向量的反射光?#30446;?br />间位置;
根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构所述前表面。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述三角测量光路所预先进行的
发光端与相机端之间的像素点标定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位
置,以及符合所述反射光的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置,包括:
在所述三角测量光?#20998;校?#39044;先对所述发光端与相机端之间进行像素点标定,获得所述
发光端的光源平面上各像素点与所述相机端的像平面上各像素点之间的对应关系;
根据所述相机端的像平面上对于所述反射光?#19978;?#30340;第一像素点,查询像素点标定所获
得的对应关系,获得在所述发光端的光源平面上出射对应入射光的第二像素点;
根据所述第一像素点位置以及所述反射光的方向向量,确定所述反射光?#30446;?#38388;位置,
以及根据所述第二像素点位置以及所述入射光的方向向量,确定所述入射光?#30446;?#38388;位置。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述预先对所述发光端与相机端之间进行
像素点标定,包括:
在所述三角测量光?#20998;校?#37319;用所述发光端的光源平面向所述前表面投射编码结构光的
方式,进行像素点标定。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述反射光的偏振度,计算所述
反射光对应的法向量包括:
将测量所获得的所述反射光的偏振度ρ,代入偏振度与入射角之间的函数关系,获得所
述反射光对应入射光的入射角θ;
依据所述反射光的偏振方向与所述入射光所在入射面的方位角Ф相垂直,确定指向所
述三角测量光路的入射面的方位角Ф;
根据所述入射光的入射角θ,以及所述入射面的方位角Ф,确定所述法向量
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述偏振度ρ与入射角θ之间的函数关系
为:

其中,n为所述目标的材料相对折射?#30465;?br />
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述利用所述反射光的方向向量和所述法
向量,计算所述入射光的方向向量包括:
将所述反射光的方向向量和所述法向量代入公式
获得所述入射光的方向向量
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,所述目标为透明状态,与所述前
表面相对的后表面设置有吸光层。
8.一种单表面三维重构装置,其特征在于,用于在三角测量光?#20998;?#23545;目标的具有镜面
反射的前表面进行三维重构,所述三角测量光路的发光端采用自然光作为入射光照射所述
前表面,所述三角测量光路的相机端获得所述前表面所反射出的反射光,所述装置包括:
法向量计算模块,用于根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向量;
方向向量计算模块,用于由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出所述反
射光的方向向量;利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方向向量;
空间位置计算模块,用于根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的
像素点标定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光
的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置;
重构模块,用于根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重
构所述前表面。
9.一种单表面三维重构系统,其特征在于,所述系统用于对目标的具有镜面反射的前
表面进行三维重构,所述系统包括:发光端、相机端,以及权利要求10所述的单表面三维重
构装置;
所述发光端采用自然光作为入射光照射所述目标的前表面,所述入射光经由所述前表
面反射获得反射光,所述反射光入射到所述相机端;所述入射光和所述反射光之间具有夹
角;
所述单表面三维重构装置,与所述相机端连接,用于采集所述相机端所接收的反射光,
以根据所述反射光对所述前表面进行重构。
10.根据权利要求9所述系统,其特征在于,所述相机端包括相机和偏振片;
所述偏振片,设置于所述相机的入光方向,所述偏振片的表面与所述相机的像平面平
行,用于通过旋转偏振角度测量所述反射光的偏振度。

说明书

单表面三维重构方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术,尤其涉及一种单表面三维重构方法、装置和系统。

背景技术

三维重构是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环
境下对其进行处理、操作和分析其性?#23454;?#22522;础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟
现实的关键技术。

在计算机视觉中,目标的三维重构技术一直是机器视觉领域中的热点话题,在最
近?#25913;?#20013;得到了不?#31995;?#21457;展,并提出了多种三维重构方法,如基于变形失真的重构方法、光
路三角测量、偏振分析等方法。

但这些三维重构方法均关注于能量信息或几何信息中的一种,也就使得这一些三
维重构方法大都需要复杂的计算。

具体来说,在这些三维重构方法中,偏振分析和光路三角测量由于其具有较强的
灵活性和适用性而受到研究人员的广泛关注。偏振分析由Daisuke Miyazaki等人提出,展
现了优秀的适用性和测量精度。然而,该方法确定光线的法向量之后缺少必要的几何信息,
所以要进行一系列的迭代运算来获取深度信息。光路三角测量方法,通过系统的特征例如
观察点的数目来描述一系列重构场景,并取得了了多种实?#24335;?#26524;。该方法原理简单并可得
到较高精度。然而由于缺少能量信息,该测量需要沿着光路得到一系列不同的深度点,通过
比较以论证正确的深度。

因此,现有技术中的目标的三维重构技术均关注于能量信息或几何信息中的一
种,导致计算量较大,效?#24335;系汀?br />

发明内容

本发明提供一种单表面三维重构方法、装置和系统,用于解决现有技术中进行三
维重构时计算量较大,效?#24335;系?#30340;技术问题。

为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:

第一方面,提供了一种单表面三维重构方法,用于在三角测量光?#20998;?#23545;目标的具
有镜面反射的前表面进行三维重构,所述三角测量光路的发光端采用自然光作为入射光照
射所述前表面,所述三角测量光路的相机端获得所述前表面所反射出的反射光,所述方法
包括:

根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向量;

由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出所述反射光的方向向量;

利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方向向量;

根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的像素点标定,确定符
合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方向向量的反射光
?#30446;?#38388;位置;

根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构所述前表
面。

其中,所述根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的像素点标
定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方向向
量的反射光?#30446;?#38388;位置,可以包括:

在所述三角测量光?#20998;校?#39044;先对所述发光端与相机端之间进行像素点标定,获得
所述发光端的光源平面上各像素点与所述相机端的像平面上各像素点之间的对应关系;

根据所述相机端的像平面上对于所述反射光?#19978;?#30340;第一像素点,查询像素点标定
所获得的对应关系,获得在所述发光端的光源平面上出射对应入射光的第二像素点;

根据所述第一像素点位置以及所述反射光的方向向量,确定所述反射光?#30446;?#38388;位
置,以及根据所述第二像素点位置以及所述入射光的方向向量,确定所述入射光?#30446;?#38388;位
置。

其中,所述预先对所述发光端与相机端之间进行像素点标定,可以包括:

在所述三角测量光?#20998;校?#37319;用所述发光端的光源平面向所述前表面投射编码结构
光的方式,进行像素点标定。

其中,所述编码可以包括格雷码。

其中,所述由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出所述反射光的方
向向量,可以包括:

预先对所述三角测量光?#26041;?#34892;相机标定,确定所述相机端的像平面上各像素点所
对应的世界坐标系中的坐标点;

将所述反射光在所述相机端的像平面上所?#19978;?#30340;第一像素点对应的世界坐标系
中坐标点,与所述像平面光心所对应的世界坐标系坐标点连线;

将所述连线的方向向量作为所述反射光的方向向量。

其中,所述根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向量可以包括:

将测量所获得的所述反射光的偏振度ρ,代入偏振度与入射角之间的函数关系,获
得所述反射光对应入射光的入射角θ;

依据所述反射光的偏振方向与所述入射光所在入射面的方位角Ф相垂直,确定指
向所述三角测量光路的入射面的方位角Ф;

根据所述入射光的入射角θ,以及所述入射面的方位角Ф,确定所述法向量

其中,所述偏振度ρ与入射角θ之间的函数关系可以为:


其中,n为所述目标的材料相对折射?#30465;?br />

其中,所述利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方向向
量可以包括:

将所述反射光的方向向量和所述法向量代入公式
获得所述入射光的方向向量

其中,所述目标可以为透明状态,与所述前表面相对的后表面设置有吸光层。

第二方面,提供了一种单表面三维重构装置,用于在三角测量光?#20998;?#23545;目标的具
有镜面反射的前表面进行三维重构,所述三角测量光路的发光端采用自然光作为入射光照
射所述前表面,所述三角测量光路的相机端获得所述前表面所反射出的反射光,所述装置
包括:

法向量计算模块,用于根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向量;

方向向量计算模块,用于由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出所
述反射光的方向向量;利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方向
向量;

空间位置计算模块,用于根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之
间的像素点标定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反
射光的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置;

重构模块,用于根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交
点,重构所述前表面。

第三方面,提供了一种单表面三维重构系统,所述系统用于对目标的具有镜面反
射的前表面进行三维重构,所述系统包括:发光端、相机端,以及第二方面所述目标的单表
面三维重构装置;

所述发光端采用自然光作为入射光照射所述目标的前表面,所述入射光经由所述
前表面反射获得反射光,所述反射光入射到所述相机端;所述入射光和所述反射光之间具
有夹角;

所述单表面三维重构装置,与所述相机端连接,用于采集所述相机端所接收的反
射光,以根据所述反射光对所述前表面进行重构。

其中,所述相机端可以包括相机和偏振片;

所述偏振片,设置于所述相机的入光方向,所述偏振片的表面与所述相机的像平
面平行,用于通过旋转偏振角度测量所述反射光的偏振度。

其中,所述发光端可以采用面光源方式出射入射光。

其中,所述目标可以为透明目标,与所述前表面相对的后表面设置有吸光层。

本发明实施例提供的单表面三维重构方法、装置和系统,通过在三角测量光?#20998;校?br />测量目标前表面反射光的偏振度之后,根据偏振度计算出该反射光对应的法向量,进而由
三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出该反射光的方向向量,以及利用反射光的方
向向量和前述步骤中所获得的法向量,计算入射光的方向向量。在分别获得入射光和反射
光的方向向量之后,根据三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的像素点标定,
确定符合该入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合反射光的方向向量的反射光
?#30446;?#38388;位置,以根据入射光?#30446;?#38388;位置和反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构前表面。也就
是说,一方面,利用了偏振分析方法求得了法向量,进而求得了入射光和反射光的方向向
量;另一方面,利用了三角测量方法分别确定了符合入射光方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,
以及符合反射光方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置。由于同时采用了三角测量方法以及偏振分
析方法获取重构所需信息,确定出入射光?#30446;?#38388;位置和反射光?#30446;?#38388;位置,依据两者交点
进行重构,从而简化了三维重构的计算步骤。

上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,
而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够
更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅?#26009;?#25991;优选实施方式的详?#35813;?#36848;,各种其他的优点和益处对于本领域普通
技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明
的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的?#32771;?#22312;附图中:

图1为本发明实施例所提供的单表面三维重构系统的结构示意图;

图2为偏振度ρ的示意图;

图3为法向量示意图;

图4为格雷码像素点标定的示意图;

图5为单表面三维重构装置30的结构示意图;

图6为本发明实施例四提供的一种单表面三维重构方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开
的示例性实施例,然而应当理解,可以以各?#20013;?#24335;实现本公开而不应被这里阐述的实施例
所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的?#27573;?br />完整的传达给本领域的技术人员。

下面结合附图对本发明实施例提供的单表面三维重构方法、装置和系统进行详细
描述。

实施例一

图1为本发明实施例所提供的单表面三维重构系统的结构示意图,如图1所示,包
括:发光端10、相机端20和单表面三维重构装置30。

本实施例所提供的系统用于对目标40具有镜面反射的前表面进行三维重构。

具体来说,发光端10采用自然光作为入射光R1照射目标的前表面,入射光R1经由前
表面反射获得反射光R2,反射光R2入射到相机端20。如图1所示,入射光R1和所述反射光R2之
间具有夹角,从而发光端10、相机端20和目标40共同构成的三角测量光路。

在目标40为透明状态下,为了避免目标40的后表面对前表面重构造成影响,在目
标40的后表面设置有吸光层。这是由于后表面与前表面相对设置,吸光层主要用于吸收掉
发光端10透过前表面照射到后表面的光线,从而避免这些光线反射进入相机端20。

需要说明的是,本领域技术人员可以想到在光路四周增加吸光材料,吸收环境杂
散光,以进一步提高测量精度,本实施例中对于吸光材?#31995;?#35774;置方法不再赘述,可参见光学
测量中的相关内容。

单表面三维重构装置30与相机端20连接,用于采集相机端20所接收的反射光R2,
以根据反射光R2对前表面进行重构。

具体来说,单表面三维重构装置30用于采集相机端20所接收的反射光R2,根据反
射光R2的偏振度,计算所述反射光R2对应的法向量进而由三角测量光路所预先进行的相
机标定,确定出反射光的方向向量利用反射光的方向向量和所述法向量计算所
述入射光的方向向量根据三角测量光路所预先进行的发光端10与相机端20之间的像
素点标定,确定符合入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方
向向量的反射光?#30446;?#38388;位置,由于入射光R1和反射光R2在前表面出发生反射,因此,在空
间位置上,入射光R1和反射光R2之间的交点一定位于前表面上,据此,可以根据入射光?#30446;?br />间位置和反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构前表面。

本实施例中,通过在三角测量光?#20998;校?#27979;量目标前表面反射光的偏振度之后,根据
偏振度计算出该反射光对应的法向量,进而由三角测量光路所预先进行的相机标定,确定
出该反射光的方向向量,以及利用反射光的方向向量和前述步骤中所获得的法向量,计算
入射光的方向向量。在分别获得入射光和反射光的方向向量之后,根据三角测量光路所预
先进行的发光端与相机端之间的像素点标定,确定符合该入射光的方向向量的入射光?#30446;?br />间位置,以及符合反射光的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置,以根据入射光?#30446;?#38388;位置和反
射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构前表面。也就是说,一方面,利用了偏振分析方法求得了
法向量,进而求得了入射光和反射光的方向向量;另一方面,利用了三角测量方法分别确定
了符合入射光方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合反射光方向向量的反射光?#30446;?#38388;位
置。由于同时采用了三角测量方法以及偏振分析方法获取重构所需信息,确定出入射光的
空间位置和反射光?#30446;?#38388;位置,依据两者交点进行重构,从而简化了三维重构的计算步骤。

需要说明的是,在本实施例中未对发光端10采用面光源还是点光源进行限制。在
发光端10采用点光源的情况下,由于每一次执行前述过程仅能够对前表面中的某个点进行
重构,因此,需要以扫描方式,重复执行以上过程,从而完成整个前表面的重构。若发光端10
采用面光源时,则避免了重复扫描的步骤,能够?#34892;?#25552;高重构效?#30465;?br />

实施例二

在上一实施例中,并未对发光端10采用面光源还是点光源进行限制,本实施例中
为了提高重构效?#21097;?#21457;光端10采用面光源方式出射入射光R1。具体来说,发光端10的光源平
面上具有多个像素点,这里为了与相机端20中相机的第一像素点区分,称为第二像素点,光
源平面?#31995;?#31532;二像素点发出该入射光R1,经由前表面反射后,相机端20接收到反射光R2。

为了计算简便,这里将每一条入射光R1对应一个发出该光线的第二像素点,以及
将每一条反射光R2对应一个接收该光线的第一像素点。为了进行前表面重构,我们需要确
定每一条入射光R1所对应的反射光R2,以及入射光R1和对应的反射光R2?#30446;?#38388;位置,以确定
两者之间的交点。下面我们以一条入射光R1以及所对应的反射光R2为例,对重构过程进行详
细说明。

如图1所示的相机端20的结构,相机端20包括相机21和偏振片22。偏振片22的表面
与所述相机21的像平面平行,用于通过旋转偏振角度测量所述反射光R2的偏振度。

由于在图1所示的系统中,在发射方向上,当一束自然光在被测表面上发生镜面反
射时,自然光由于光波中的P波和S波的反射率不同,自然光的入射光R1所反射的反射光R2会
变为部分偏振光,且反射光R2主要含有S波的偏振光。可以通过对相机端20入光方向上所设
置的偏振片22进行旋转,确定各偏振角度的光强。图2为偏振度ρ的示意图,如图2所示,可以
根据各偏振角度的光强,计算出反射光R2的偏振度?#36873;?br />

具体地,根据菲涅尔公式,可以获得偏振度ρ与入射角θ之间的函数关系:


其中,n为所述目标的材料相对折射?#30465;?#24182;根据系统的搭建的入射角θ通常小于布
儒?#22266;?#35282;,便可以唯一确定出入射角?#21462;?br />

但确定入射角θ之后,还需要确定入射面的方位角Ф,才能够确定出法向量而
对于入射面方位角Ф可以基于反射光S波的特性,具体来说,因为镜面反射中,S波占据有反
射光R2的主要成分,因此,使得反射光R2的偏振方向与入射面的方位角Ф具有相互垂直的对
应关系。通过旋转偏振片,?#19994;?#20809;强最强的方向,这个方向便为反射光R2的偏振方向。图3为
法向量示意图,如图3所示,由于系统搭建已确定了如图1所示的光路与发光端10、相机端
20以及目标40之间的相对位置关系,在此限制下,可以确定入射面的方位角Ф应当朝向反
射方向?#31995;?#21457;光端10和相机21,而不是与之相背对。可以由?#23435;?#19968;确定出入射面的方位角
Ф。

在获得入射角θ和入射面的方位角Ф之后,可以代入到如下公式中:

计算获得法向量

依据预先对三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出反射光的方向向量。具
体地,预先对所述三角测量光?#26041;?#34892;相机标定,确定相机端20的像平面上各像素点所对应
的世界坐标系中的坐标点,将反射光R1在相机端20的像平面上所?#19978;?#30340;第一像素点对应的
世界坐标系中坐标点,与像平面光心所对应的世界坐标系坐标点连线,将连线的方向向量
作为反射光的方向向量

进而,利用反射光的方向向量和法向量计算入射光的方向向量具体地,将反
射光的方向向量和法向量代入公式
获得所述入射光的方向向量

然后,可以根据三角测量光路所预先进行的发光端10与相机端20之间的像素点标
定,确定符合入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方向向量
的反射光?#30446;?#38388;位置。

具体来说,在三角测量光?#20998;校?#39044;先对发光端10与相机端20之间进行像素点标定,
获得发光端10的光源平面上各像素点与相机端20的像平面上各像素点之间的对应关系,根
据相机端20的像平面上对于所述反射光R2?#19978;?#30340;第一像素点,查询像素点标定所获得的对
应关系,获得在所述发光端10的光源平面上出射对应入射光的第二像素点。根据第一像素
点位置以及反射光的方向向量确定所述反射光R2?#30446;?#38388;位置,以及根据所述第二像素
点位置以及所述入射光的方向向量确定所述入射光R1?#30446;?#38388;位置。

根据入射光R1?#30446;?#38388;位置和反射光R2?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构前表面。

这里仅描述了一条入射光R1以及所对应的反射光R2,在实际应用中,需要对全部入
射光R1以及所对应的反射光R2进行求解,才能够对前表面进行完整重构。

需要说明的是,本实施例中,在进行发光端10与相机端20之间的像素点标定时,考
虑到目标具有强烈的内反射,采用了向目标投射格雷码的方式,计算出第二像素中的直接
成分和间接成分,比较光强与二者组成区间的关系,确定像素的0,1值,得到部分第一像素
和第二像素之间的对应关系,再通过掩膜和迭代方式完成剩余像素之间的匹配。图4为格雷
码像素点标定的示意图,本领域技术人员还可以采用其他编码结构光,本实施例中对此不
做限定。

实施例三

为了清楚说明前述实施例中,所提及的单表面三维重构装置30,图5为单表面三维
重构装置30的结构示意图,如图5所示,单表面三维重构装置30包括:法向量计算模块31,方
向向量计算模块32,空间位置计算模块33和重构模块34。

法向量计算模块31,用于根据所述反射光的偏振度,计算所述反射光对应的法向
量。

方向向量计算模块32,用于由所述三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出
所述反射光的方向向量,利用所述反射光的方向向量和所述法向量,计算所述入射光的方
向向量。

空间位置计算模块33,用于根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端
之间的像素点标定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述
反射光的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置。

重构模块34,用于根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交
点,重构所述前表面。

单表面三维重构装置30主要用于在三角测量光?#20998;?#23545;所述目标的前表面进行三
维重构,其中,三角测量光路的发光端采用自然光作为入射光照射所述前表面,所述三角测
量光路的相机端获得所述前表面所反射出的反射光。

由于单表面三维重构装置30一方面,利用了偏振分析方法求得了法向量,进而求
得了入射光和反射光的方向向量;另一方面,利用了三角测量方法分别确定了符合入射光
方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合反射光方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置。由于同时
采用了三角测量方法以及偏振分析方法获取重构所需信息,确定出入射光?#30446;?#38388;位置和反
射光?#30446;?#38388;位置,依据两者交点进行重构,从而简化了三维重构的计算步骤。

本实施例所提供的装置用于在实施例一和二所提供的系统中执行三维重构的相
应步骤,步骤的具体实现参见前述实施例中的相关描述,本实施例中对此不再赘述。

实施例四

本实施例提供了一种单表面三维重构方法,用于在如图1所提供的系统中,进行单
表面三维重构。本实施例所提供的方法可以具体由图1中相机端20的处理芯片执行。图6为
本发明实施例四提供的一种单表面三维重构方法的流程示意图,如图6所示,方法包括:

步骤401,根据反射光的偏振度,计算反射光对应的法向量。

具体地,将测量所获得的所述反射光的偏振度ρ,代入偏振度与入射角之间的函数
关系,获得所述反射光对应入射光的入射角θ;依据所述反射光的偏振方向与所述入射光所
在入射面的方位角Ф相垂直,确定指向所述三角测量光路的入射面的方位角Ф;根据所述
入射光的入射角θ,以及所述入射面的方位角Ф,确定所述法向量

其中,偏振度ρ与入射角θ之间的函数关系为:

n为所述目标的材料相对折射?#30465;?br />

步骤402,由三角测量光路所预先进行的相机标定,确定出反射光的方向向量。

具体地,预先对所述三角测量光?#26041;?#34892;相机标定,确定所述相机端的像平面上各
像素点所对应的世界坐标系中的坐标点;将所述反射光在所述相机端的像平面上所?#19978;?#30340;
第一像素点,与所述第一像素点所对应的坐标点连线;将所述连线的方向向量作为所述反
射光的方向向量。

步骤403,利用反射光的方向向量和法向量,计算入射光的方向向量。

具体地,将所述反射光的方向向量和所述法向量代入公式
获得所述入射光的方向向量

步骤404,根据所述三角测量光路所预先进行的发光端与相机端之间的像素点标
定,确定符合所述入射光的方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合所述反射光的方向向
量的反射光?#30446;?#38388;位置。

具体地,在所述三角测量光?#20998;校?#39044;先对所述发光端与相机端之间进行像素点标
定,获得所述发光端的光源平面上各像素点与所述相机端的像平面上各像素点之间的对应
关系。根据所述相机端的像平面上对于所述反射光?#19978;?#30340;第一像素点,查询像素点标定所
获得的对应关系,获得在所述发光端的光源平面上出射对应入射光的第二像素点。根据所
述第一像素点位置以及所述反射光的方向向量,确定所述反射光?#30446;?#38388;位置,以及根据所
述第二像素点位置以及所述入射光的方向向量,确定所述入射光?#30446;?#38388;位置。

可选地,预先对所述发光端与相机端之间进行像素点标定可以采用在所述三角测
量光?#20998;校?#37319;用所述发光端的光源平面向所述前表面投射编码结构光的方式,进行像素点
标定。其中,编码包括格雷码。

步骤405,根据所述入射光?#30446;?#38388;位置和所述反射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构
所述前表面。

本实施例中,通过在三角测量光?#20998;校?#27979;量目标前表面反射光的偏振度之后,根据
偏振度计算出该反射光对应的法向量,进而由三角测量光路所预先进行的相机标定,确定
出该反射光的方向向量,以及利用反射光的方向向量和前述步骤中所获得的法向量,计算
入射光的方向向量。在分别获得入射光和反射光的方向向量之后,根据三角测量光路所预
先进行的发光端与相机端之间的像素点标定,确定符合该入射光的方向向量的入射光?#30446;?br />间位置,以及符合反射光的方向向量的反射光?#30446;?#38388;位置,以根据入射光?#30446;?#38388;位置和反
射光?#30446;?#38388;位置之间的交点,重构前表面。也就是说,一方面,利用了偏振分析方法求得了
法向量,进而求得了入射光和反射光的方向向量;另一方面,利用了三角测量方法分别确定
了符合入射光方向向量的入射光?#30446;?#38388;位置,以及符合反射光方向向量的反射光?#30446;?#38388;位
置。由于同时采用了三角测量方法以及偏振分析方法获取重构所需信息,确定出入射光的
空间位置和反射光?#30446;?#38388;位置,依据两者交点进行重构,从而简化了三维重构的计算步骤。

本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通
过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程
序在执行时,执行包括上述各方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:ROM、RAM、磁碟或
者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的?#27573;А?br />

关于本文
本文标题:单表面三维重构方法、装置和系统.pdf
链接地址:http://www.pqiex.tw/p-6079733.html
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