用于中小型场景的环形三维影像采集装置及实景建模方法
阅读说明：本技术 用于中小型场景的环形三维影像采集装置及实景建模方法 (Annular three-dimensional image acquisition device for small and medium-sized scenes and live-action modeling method ) 是由 张泽林 王毅超 赵文钰 贺美杰 安海娜 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于中小型场景的环形三维影像采集装置及实景建模方法,装置由环形导轨、导轨滑台、转动轴承、液压装置、机械臂、云台、照相机组成,环形导轨包括导轨、轨道和导轨支架,导轨、轨道均为环形,导轨滑台滑动或滚动连接于轨道,导轨滑台沿轨道转动,导轨滑台连接转动轴承,转动轴承连接液压装置,液压装置由转动轴承转动而调节倾斜角度,液压装置的活塞伸缩杆顶部经旋转轴连接机械臂,机械臂上安装云台,云台用于安装稳定照相机,机械臂由角度调节机构沿旋转轴调整角度。使用该装置采集影像,图片导入软件,进行模型重建,获取实景模型。有益效果：拍照稳定,且方便调节拍摄角度,拍摄范围更全面。(The invention provides an annular three-dimensional image acquisition device for small and medium-sized scenes and a live-action modeling method. The device is used for collecting images, and the images are imported into software to reconstruct a model and obtain a real scene model. Has the advantages that: the photographing is stable, the photographing angle is convenient to adjust, and the photographing range is more comprehensive.)
技术领域
本发明属于三维实景建模技术领域，涉及一种用于中小型场景的三维影像采集装置及实景建模方法。
背景技术
实景建模技术是通过照片、视频、点云等数据形成三维模型的技术，其原理是分析从不同视点拍摄的几个静态的照片，以自动检测对应于一个相同的物理点像素，通过连续拍摄具有一定重叠率的相邻两张照片自动生成高分辨率的三维模型。相对传统建模技术，该技术拥有建模效率高、应用范围广、生产模型更加真实等特点，可以创建传统建模方式难以建立的复杂异形曲面形体，且在建模物体图纸缺失的情况可直接进行逆向建模。该技术在建筑工程设计与施工、工业产品建模与测量、工程数字化、医疗美容、文物保护、公安与军事领域具有广泛应用前景。
实景建模技术最重要的一环是采集建模所需的影像，在针对中小场景的物体进行建模时一般采用人工拍照的方式，该方式影像的不足之处在于：采集效率慢，影像采集质量及建模所需的影像重叠率受人为因素影响大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于中小型场景的三维影像采集装置及实景建模方法，它可以快速的对中小场景下的物体进行全角度的影像采集工作，相较传统方法，该装置及配套实景建模方法具有影像采集效率高，质量优，参数可控，结构简单，使用方便等优点。
本发明的技术方案：一种用于中小型场景的环形三维影像采集装置，环形导轨、导轨滑台、转动轴承、液压装置、机械臂、云台、照相机，所述环形导轨包括导轨、轨道和导轨支架，导轨、轨道均为环形，导轨支架底部置于平面上、上部连接固定导轨，轨道设置于导轨，所述导轨滑台滑动或滚动连接于轨道，导轨滑台在得到动力时，沿轨道转动，导轨滑台连接转动轴承，转动轴承连接液压装置，液压装置由转动轴承转动而调节倾斜角度，液压装置的活塞伸缩杆顶部经旋转轴连接机械臂，机械臂上安装云台，云台用于安装稳定照相机，机械臂由角度调节机构沿旋转轴调整角度。
所述导轨滑台包括主连接板，滑轮连接板，滑轮，辅连接板，传动齿轮，传动链条，滑台电机，连接螺栓，主连接板、辅连接板、滑轮连接板由连接螺栓相连共同构成滑台主体，辅连接板在主连接板与滑轮连接板之间，将主连接板与滑轮连接板隔开，滑轮连接板上经轴承连接设置两组轴，轴上安装滑轮，每组滑轮上下位设置，轨道为槽结构，导轨上面和底面均设置轨道，上下的滑轮置于槽内，由槽对滑轮轴向和上下位限位，每组滑轮其中一个连接轴上设有传动齿轮，传动齿轮配套连接传动链条，连接有传动齿轮的滑轮连接轴连接滑台电机，滑台电机连接固定于主连接板。
所述转动轴承包括基座、蜗轮蜗杆转动装置、伺服电机，连接板，连接板与主连接板固定连接，基座固定在连接板上，液压装置下端固定转轴，转轴两头分别连接轴承（圆锥滚子轴承），轴承外圈固定于基座，蜗轮蜗杆转动装置中的蜗轮连接固定于轴承内圈或转轴一端，伺服电机固定在连接板上，伺服电机输出端与蜗轮蜗杆转动装置中的蜗杆连接，蜗杆带动蜗轮转动，液压装置被驱动转动。
液压装置包括储油仓、缸筒、活塞伸缩杆，油泵电机，储油仓下端与转动轴承连接，油泵电机连接在储油仓，活塞伸缩杆的尾端连接至缸筒的密封前端盖，储油仓的前端设置与缸筒尾端相适配的缸筒插口，缸筒的尾端设置过油孔，以使缸筒尾端插入储油仓的缸筒插口后缸筒与储油仓相通，油泵电机通过吸油管控制油量变化使得活塞伸缩杆上下移动。
机械臂包括机械节臂、旋转轴、液压支撑调节装置，旋转轴固定在液压装置活塞杆顶部，机械节臂下端与旋转轴连接，液压支撑调节装置两端分别铰接在活塞伸缩杆与机械节臂上，旋转轴作为活塞伸缩杆与机械节臂活动转动连接轴，液压支撑调节装置作为角度调节机构，通过液压支撑调节装置伸缩使得机械节臂做旋转运动。
云台安装在机械节臂上，云台采用弹性卡箍固定照相机。
滑台电机由控制器控制，控制器控制滑台电机运行，照相机随之运动，照相机进行间隔拍照，照相机设有无线数据传输模块。
滑台电机、伺服电机通过无线信号控制。
油泵电机、液压支撑调节装置供油泵通过无线信号控制。
一种用于中小场景的三维影像采集的实景建模方法，采用上述的装置，包括以下步骤：
步骤一，安装放置环形导轨：将导轨支架放置于要拍摄物体四周，固定牢靠，连接方式采用地脚螺栓固定或采用钢结构底座加配重固定；接着将导轨安装在导轨支架上，并调整至导轨水平，连接方式采用螺栓固定；
步骤二，安装导轨滑台：将导轨滑台及驱动装置安装在轨道之上，并进行滑动测试，保证导轨滑台平顺滑动；
步骤三，安装转动轴承、液压装置及机械臂：将转动轴承通过螺栓固定在导轨滑台上，并将液压装置下端插入至转动轴承上，接着将机械臂通过连接件与液压装置相连，将云台固定在机械臂上；
步骤四，影像采集：安装好照相机，调整云台仰俯角度，根据拍摄物体实地情况，设置照相机的参数，包括光圈、速度、感光度，接着调整液压装置及机械臂到适当高度，启动导轨滑台带动照相机进行间隔拍照，相邻照片的重叠率达到50％～65％之间，照片通过WiFi回传至电脑端，进行查看并及时校正拍摄参数以及视角等；采集完一圈影像图片，调整液压装置及机械臂使相机提升到另一适当高度，并调整云台及照相机角度，进行下一轮的影像采集；
步骤五，模型重建：将影像图片导入具有空中三角测量计算的软件中，先进行空三运算，有不合适之处时对物体进行照片补拍，进行模型重建，获取实景模型；
步骤六，模型应用：根据应用需求，将模型转化成所需的格式，进行分析查看。
本发明的有益效果是：1、环形导轨、导轨滑台、转动轴承、液压装置、机械臂、云台的设置，使照相机稳定，且拍摄角度方便调节到最佳。
2、照相机进行间隔拍照，照片通过WiFi传送至电脑端，可随时进行查看，并及时校正拍摄参数及视角，避免影像的无效采集，使得拍摄影像质量达到最优。
3、可通过编程针对不同形状大小的物体确定相机拍摄位置，并通过无线电信号控制本影像采集装置的传动机构，达到采集效率最高。
4、通过所建立的实景建模方法将所述影像装置采集的影像进行处理并生成实景模型，可广泛用于建筑工程设计与施工、工业产品建模与测量、工程数字化、医疗美容、文物保护、公安与军事等领域。
5、通过无线信号控制滑台电机、蜗轮蜗杆装置、油泵电机、液压支撑调节装置，使本装置的导轨滑台滑动位置、转动轴承转动角度、液压装置升降高度以及机械臂转动幅度按程序指令驱动，以保证云台上的相机可以调整至最佳拍摄位置。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明导轨滑台的结构示意图图；
图3是本发明旋转轴承及液压装置的结构示意图；
图4是本发明机械臂、云台及相机的结构示意图；
图5是本发明实景建模方法的照相机采集路径示意图；
图6是本发明实景建模方法的影像重叠率示意图；
图中：10.环形导轨，20.导轨滑台，30.转动轴承，40.液压装置，50.机械臂，60.云台，70.照相机，11.导轨，12.轨道，13.导轨支架，21.主连接板，22.滑轮连接板，23.滑轮，24.辅连接板，25.传动齿轮，26.传动链条，27.滑台电机，28.连接螺栓，31.基座，32.蜗轮蜗杆转动装置，33.伺服电机，34.连接板，41.储油仓，42.缸筒，43.活塞伸缩杆，44.油泵电机，51.机械节臂，52.旋转轴，53.液压支撑调节装置。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，为本发明的用于中小型场景的环形三维影像采集装置，包括：
环形导轨10，环形导轨10包括导轨11、轨道12和导轨支架13。导轨支架13有四个，等分安装于导轨11。导轨支架13安装在导轨11外沿（为轨道设置留有足够宽度，不妨碍导轨滑台转动），在导轨11内沿设置轨道12，并上下布置。
导轨滑台20，如图2所示，导轨滑台20包括主连接板21，滑轮连接板22，滑轮23，辅连接板24，传动齿轮25，传动链条26，滑台电机27，连接螺栓28。主连接板21、辅连接板24、滑轮连接板22由连接螺栓28相连共同构成滑台主体，辅连接板24在主连接板21与滑轮连接板22之间，将主连接板21与滑轮连接板22隔开。滑轮连接板22上经轴承连接设置两组轴，轴上安装滑轮23，每组滑轮23上下位设置，轨道12为槽结构，导轨11上面和底面均设置轨道12，上下的滑轮23置于槽内，由槽对滑轮轴向和上下位限位，每组滑轮23其中一个连接轴上设有传动齿轮25，传动齿轮25配套连接传动链条26，连接有传动齿轮25的滑轮23连接轴连接滑台电机27，滑台电机27连接固定于主连接板21。滑台电机27驱动一侧滑轮23，并通过传动齿轮25与传动链条26带动另一侧滑轮23实现两侧滑轮滑动，使得滑台主体在滑轮23转动下沿环形导轨10运动。
转动轴承30，如图3所示，包括基座31、蜗轮蜗杆转动装置32、伺服电机33，连接板34，连接板34与主连接板21固定连接，基座31固定在连接板34上，液压装置40下端固定转轴，转轴两头分别连接轴承（为了有足够的径向载荷，用圆锥滚子轴承），轴承外圈固定于基座31，蜗轮蜗杆转动装置32中的蜗轮连接固定于轴承内圈或转轴一端（转轴一端从轴承内圈延伸出一段，以方便连接固定蜗轮），伺服电机33固定在连接板34上，伺服电机33输出端与蜗轮蜗杆转动装置32中的蜗杆连接。伺服电机33开启，蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转，与蜗轮固定连接的轴承内圈或转轴一端也同时转动，液压装置40下端与转轴固定连接，转轴转动，液压装置40随之被驱动转动，于是液压装置40就实现180度范围的转动。
液压装置40，如图3所示，液压装置40包括储油仓41、缸筒42、活塞伸缩杆43，油泵电机44。活塞伸缩杆43的尾端连接至缸筒42的密封前端盖。储油仓41的前端设置与缸筒42尾端相适配的缸筒插口（缸筒插入插口并密封紧密，必要时加密封垫套）。缸筒42的尾端设置过油孔，以使缸筒尾端插入储油仓的缸筒插口后缸筒与储油仓相通。油泵电机44通过吸油管控制油量变化使得活塞伸缩杆43上下移动。
机械臂50，如图4所示，包括机械节臂51、旋转轴52、液压支撑调节装置53，旋转轴52固定在液压装置40活塞杆顶部，机械节臂51下端与旋转轴52连接，液压支撑调节装置53两端分别铰接在活塞伸缩杆43与机械节臂51上，旋转轴52作为活塞伸缩杆43与机械节臂51活动转动连接轴，液压支撑调节装置53作为角度调节机构，通过液压支撑调节装置53伸缩使得机械节臂51转动。机械节臂51就以旋转轴52为轴转动，倾角得以调节。
云台60，设有弹性卡箍(卡箍兜住相机,卡箍一头或两头有插头,插头嵌入云台的插孔中,类似背包带的插扣)或相机放置盒(按相机的大体外围轮廓制作，盒壁留有镜头孔和拍摄按钮孔，把相机放入，缝隙中塞入海绵或塑料发泡泡沫使相机稳定住，然后盖上盒盖)，用于安装固定照相机，如图4所示，直接安装在机械节臂51上，调整云台的俯仰角度。
照相机70，如图4所示，安装在云台60上，设置照相机的参数，进行间隔拍照（设置间隔时间连续拍照，现有技术已实现）。
进一步优化，本实施例中，滑台电机27、伺服电机33、油泵电机44、液压支撑调节装置53供油泵连接设置无线信号收发器，以便远程控制。
同时提出利用上述装置进行中小场景的三维影像采集的实景建模方法，先使用装置采集影像，再利用具有空中三角测量计算的软件，分析从不同视点拍摄的几个影像的静态对象，并以自动检测对应于一个相同的物理点像素。从许多这样的对应关系，得到拍摄物体的准确的3D形状，进一步输出带有照片贴图的逼真三维模型或网格面模型，模型格式多种多样，包括OBJ、OSGB、3DS等，根据模型应用软件的需求可选择不同的模型格式。具体包括以下步骤：
步骤一，安装放置环形导轨10：将导轨支架13放置于要拍摄物体四周，固定牢靠，连接方式采用地脚螺栓固定或采用钢结构底座加配重固定；接着将导轨11安装在导轨支架13上，并调整至导轨水平，连接方式采用螺栓固定。
步骤二，安装导轨滑台20：将导轨滑台20及驱动装置安装在轨道12之上，并进行滑动测试，保证导轨滑台20平顺滑动。
步骤三，安装转动轴承30、液压装置40及机械臂50：将转动轴承30通过螺栓固定在导轨滑台20上，并将液压装置40的储油仓下部插入至转动轴承30上，接着将机械节臂51、旋转轴52、活塞伸缩杆43、液压支撑调节装置53通过销轴等连接件连接起来，将云台60固定在机械臂50上。
步骤四，影像采集：安装好照相机70，调整云台60仰俯角度，根据拍摄物体实地情况，设置照相机的参数，如光圈、速度、感光度，接着调整液压装置40及机械臂50到适当高度，启动导轨滑台20带动照相机70进行间隔拍照，相邻照片的重叠率达到50％～65％之间，照片通过WiFi回传至电脑端，进行查看并及时校正拍摄参数以及视角等；采集完一圈影像图片，调整液压装置40及机械臂50使相机提升到另一适当高度，并调整云台60及照相机角度，进行下一轮的影像采集，如图5、6所示。
步骤五，模型重建：将影像图片导入具有空中三角测量计算的软件(BentleyContext Capture)中，先进行空三运算，必要时对物体进行照片补拍，进行模型重建，获取实景模型。
步骤六，模型应用：根据应用需求，将模型转化成所需的格式（OBJ、OSGB、3MX等），进行分析查看。