采用GigE Vision进行实时3D重建

高速GigE相机用于实时3D结构光系统

肯塔基大学可视化与虚拟环境中心的3-D成像实验室在3D领域有丰富的经验,并且在机器视觉、结构光系统、实时3D扫描仪、生物测量学和下一代多媒体等领域开发3D系统方面颇有建树。

实时3D结构光系统
2006年,肯塔基大学获得了美国国土安全部的拨款,为3D监控相机开发一种范围传感方法。
由此研制的产品是一款采用结构光照明(SLI)和高速重建方法来形成3D图像的高分辨率、实时3D系统。结构光照明是一个投影一系列线条图案的过程。这样数码相机就能从一个特定角度,根据物体上线条的扭曲度来重建物体表面的3D模型。

系统由一台配备了千兆以太网输出,VGA分辨率的高速Prosilica相机和一台投影仪组成。此款相机因为它的高帧速(在640x480的全分辨率模式下,每秒多达200帧)和即插即用的功能而被选中。相较于彩色相机,单色相机更适合这项应用。因为有些颜色无法反射到其他颜色上(如红色无法反射到绿色上),从而会影响系统的性能。投影仪由一台配备了ALP-1控制器的德州仪器Discovery 1100扫描板和225 ANSI流明的LED-OM组成。

相机配备了一个腾龙16毫米镜头,安装在投影仪下面。相机和投影仪分隔10°,以获得最佳的区域扫描效果,并通过外部触发电路在640 x 480分辨率下以每秒129帧的速度同步运行。投射的光图案直接加载到ALP扫描板的内存中。

系统与配备了英特尔酷睿2四核Q9650处理器的戴尔Optiplex960电脑连接,通过一根5E类缆线以3.5G赫兹的频率运行。

系统可完全扩展,而且相机的光学系数、投影仪照明强度和视角能轻易改变以适应于更大规模的应用。

每秒120帧实时重建3D点云

SLI图案策略

系统根据情况采用3到6个不同变化的线性图案(如移动或静止的物体)。每个图案由16对黑白条纹(周期)组成,以每秒120帧的速率按照预先设定的顺序投射到目标物上。
肯塔基大学开发了三套新的图案策略来保证3D重建的质量和准确性:用周期编码相位测量法和双频相位多路复用图案打开高频相位,而不必投射更多图案的或使用复杂的空间打开方法,而且用一个边缘图案策略来提高系统的信噪比。

高速重建
其他系统通常用一个倒置的4x4矩阵一个像素一个像素地生成3D点云,而3D成像实验室开发了一个新的查找表来代替重复且限制性强的矩阵过程,使系统能在640x480的分辨率下以每秒120帧的速率解码相位视频。系统不用录影或进行后期加工。

3D点重建技术适用于所有三角测量的3D技术,包括SLI、立体视觉、激光扫描等等。

3D重建软件采用Microsoft Visual Studio 2005开发,并用Prosilica软件开发工具包管理C++语言。

展望未来

肯塔基大学的实时3D结构光系统可完全扩展并可调整来适用于人机接口、生物测量和安全、运动扫描和跟踪、手势、面部识别、快速3D建模以及下一代多媒体等领域的应用。