CN106524909B - 三维图像采集方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维图像采集方法及装置，所述三维图像采集方法包括：接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算；以及基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。根据本发明实施例的三维图像采集方法及装置基于两个或以上的图像传感器在两种或以上的光源条件下所采集的图像，通过将光度立体视觉与多目视觉的方法相结合，可以实现采集速度快、精度高、且成本低的三维图像采集。

Description

三维图像采集方法及装置
技术领域
本发明涉及三维图像技术领域，更具体地涉及一种三维图像采集方法及装置。
背景技术
随着图像处理硬件水平的不断提高，以及机器视觉技术、图像处理技术、计算机技术等的不断发展，视觉测量技术也相应地得到了很大的提高。视觉测量技术是以图像作为检测和传递信息的载体，通过图像处理算法从二维图像中提取有用信息，进而获得被测物体的三维几何尺寸和空间位置。
其中，光度立体视觉技术是采用一个相机和几个发光强度相同的光源，保持相机和所拍摄的物体不动，通过改变光源的方向，同时拍摄物体在不同光源照射条件下的一组图像，然后根据这些图像计算出物体的表面法向，由计算出的表面法向求解出物体表面的三维形状。然而，基于光度立体视觉测量技术的图像采集方法所得到的图像会有整体变形的现象。
发明内容
考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种三维图像采集方法及装置，其通过将光度立体视觉与多目视觉结合，克服了它们各自的整体偏移或有精度低的缺点，能够得到快速高精度的三维采集效果。
根据本发明一方面，提供了一种三维图像采集方法，所述三维图像采集方法包括：接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算；以及基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。
在本发明的一个实施例中，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
在本发明的一个实施例中，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在本发明的一个实施例中，所述三维图像采集方法还包括：将所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
在本发明的一个实施例中，所述对象为人脸，并且所述三维图像采集方法还包括：对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
在本发明的一个实施例中，所述基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算，包括：基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。
根据本发明另一方面，提供了一种三维图像采集装置，所述三维图像采集装置包括：接收模块，用于接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；图像匹配模块，用于对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；光度法向计算模块，用于基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算；以及三维图像获得模块，用于基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。
在本发明的一个实施例中，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
在本发明的一个实施例中，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在本发明的一个实施例中，所述三维图像采集装置还包括：去除背景光模块，用于将所述接收模块所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
在本发明的一个实施例中，所述对象为人脸，并且所述三维图像采集装置还包括：人脸检测模块，用于对所述接收模块所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
在本发明的一个实施例中，所述光度法向计算模块进一步基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。
根据本发明实施例的三维图像采集方法及装置基于两个或以上的图像传感器在两种或以上的光源条件下所采集的图像，通过将光度立体视觉与多目视觉的方法相结合，可以实现采集速度快、精度高、且成本低的三维图像采集。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1是用于实现根据本发明实施例的三维图像采集方法和装置的示例电子设备的示意性框图；
图2是根据本发明实施例的三维图像采集方法的示意性流程图；
图3是根据本发明实施例的三维图像采集方法、装置、系统以及存储介质所基于的图像的采集过程中图像传感器和光源组的示例性排布；
图4是根据本发明实施例的三维图像采集装置的示意性框图；以及
图5是根据本发明实施例的三维图像采集系统的示意性框图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
首先，参照图1来描述用于实现本发明实施例的三维图像采集方法和装置的示例电子设备100。
如图1所示，电子设备100包括一个或多个处理器102、一个或多个存储装置104、输入装置106、输出装置108以及图像传感器110，这些组件通过总线系统112和/或其它形式的连接机构(未示出)互连。应当注意，图1所示的电子设备100的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，所述电子设备也可以具有其他组件和结构。
所述处理器102可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述电子设备100中的其它组件以执行期望的功能。
所述存储装置104可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器102可以运行所述程序指令，以实现下文所述的本发明实施例中(由处理器实现)的客户端功能以及/或者其它期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储各种应用程序和各种数据，例如所述应用程序使用和/或产生的各种数据等。
所述输入装置106可以是用户用来输入指令的装置，并且可以包括键盘、鼠标、麦克风和触摸屏等中的一个或多个。
所述输出装置108可以向外部(例如用户)输出各种信息(例如图像或声音)，并且可以包括显示器、扬声器等中的一个或多个。
所述图像传感器110可以拍摄用户期望的图像(例如照片、视频等)，并且将所拍摄的图像存储在所述存储装置104中以供其它组件使用。
示例性地，用于实现根据本发明实施例的三维图像采集方法和装置的示例电子设备可以被实现为诸如智能手机、平板电脑等。
下面，将参考图2描述根据本发明实施例的三维图像采集方法200。
在步骤S210，接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像。
在一个实施例中，所接收的图像可以来自两个或两个以上的图像传感器(例如双目相机、双目或多目摄像头等)，它们分别在分布不同的两组或两组以上的光源下采集同一对象的图像。示例性地，可以仅采用两个图像传感器在分布不同的两组光源下采集图像。
在一个示例中，第一组光源可以包括分布在两个图像传感器之间且彼此较为接近的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在另一个示例中，第一组光源可以包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，例如如图3所示，在图3中将图像传感器示例性地示出为摄像头(摄像头1和摄像头2)，并将所有发光装置示例性地示出为不同颜色的发光二极管(LED_白、LED_红、LED_绿和LED_蓝)。值得注意的是，图3中所示出的图像传感器与光源组的排布方法仅是一个示例，根据需要，还可以采用其他的排布方法来采集图像。
在该示例中，两个摄像头可以在仅第一组LED打开时分别采集到第一组图像I1_1(来自摄像头1)与I1_2(来自摄像头2)，并在仅第二组LED打开时分别采集到第二组图像I2_1(来自摄像头1)与I2_2(来自摄像头2)。
此外，在一个示例中，多个图像传感器还可以在没有上述多组光源的情况下分别采集图像，以作为背景光图像用于去除在多组光源的情况下所采集图像的背景光。例如，在上面的示例中，两个摄像头还可以在第一组LED和第二组LED均不打开的情况下采集第三组图像I3_1(来自摄像头1)与I3_2(来自摄像头2)。因此，可以计算去除了背景光的图像A1、A2、B1和B2，其中：
A1＝I1_1-I3_1，
A2＝I1_2-I3_2，
B1＝I2_1-I3_1，
B2＝I2_2-I3_2。
如果背景光线足够暗时，可以省略对背景光图像的采集，而直接采用多个图像传感器在多组光源的情况下分别采集的图像用于后续处理。
在步骤S220，对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配。
接着上面的示例，可以对摄像头1和摄像头2在第一组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1和A2)进行图像匹配，或对摄像头1和摄像头2在第二组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像B1和B2)进行图像匹配。下面以摄像头1和摄像头2在第一组光源下采集的图像的匹配为例来描述。
例如，采用记号A1(x,y)来表示图像A1在(x,y)处的像素值。采用A1(x,y)r、A1(x,y)g、A1(x,y)b来依次表示其中的红、绿、蓝色的分量。对于图像A1中的每一个位于(x,y)处的像素，可以提取以该像素为中心的一个L*L的小区域内的图像块(patch)，其中，L为所提取的图像块区域的边长。可以将图像块中其他处的像素减去中心处对应颜色的值，排列为一个L*L*3维的向量F1(x,y)。
类似地，可以采用记号A2(x,y2)来表示图像A2在(x,y2)处的像素值，并采用同样的方法对图像A2进行处理，以得到向量F2(x,y2)。可以定义(x,y)与(x,y2)的匹配误差为：
Figure BDA0001135056050000071
对每个(x,y)，计算使上式最小的y2，设其为ym，则认为图像A1中点(x,y)处的像素的初步匹配结果为：
D(x,y)＝ym-0.5*(C(x,y,ym+1)-C(x,y,ym-1))/(C(x,y,ym+1)+C(x,y,ym-1)-C(x,y,ym)*2)
因此，(x,y)处的像素对应的初步深度值为Z(x,y)＝Z0/(D(x,y)-y)，其中Z0为一个与摄像头距离、镜头焦距、像素尺寸等有关的参数。
应该理解，上述图像匹配过程仅是示例性的。根据实际需要，还可以采用其他方法实现图像匹配。还应该理解，本发明不受具体采用的图像匹配方法的限制，无论是现有的图像匹配方法还是将来开发的图像匹配方法，都可以应用于根据本发明实施例的三维图像采集方法中，并且也应包括在本发明的保护范围内。
在步骤S230，基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算。
接着上面的示例，可以对摄像头1在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1和B1)进行光度法向计算，或对摄像头2在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A2和B2)进行光度法向计算。在一个实施例中，可以基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器(摄像头1或摄像头2)在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。
下面以摄像头1在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像的光度法向计算为例来描述。
对于摄像头1在第一组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1)中的一个位于(x,y)的像素，根据步骤S220中计算的图像匹配结果，计算像素(x,y)的初步深度值和初步三维坐标，令z＝Z(x,y)为初步深度值，则它在三维空间中对应的初步位置值为u＝(x/f*z,y/f*z,z)，其中f为一个与镜头焦距、像素尺寸等有关的参数。可以采用如下方法根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算该像素对应的光度法向：
设v0、vr、vg、vb为白光LED、红光LED、绿光LED、蓝光LED的三维位置，Lr0、Lg0、Lb0为白光LED中红、绿、蓝的分量，Lr、Lg、Lb为红光LED、绿光LED、蓝光LED的相对亮度值，求解如下方程组的最小二乘解：
Figure BDA0001135056050000081
Figure BDA0001135056050000082
Figure BDA0001135056050000083
其中，n＝(nx,ny,nz)满足nx 2+ny 2+nz 2＝1为待求解的法向。
应该理解，上述光度法向计算过程仅是示例性的。根据实际需要，还可以采用其他方法实现光度法向计算。还应该理解，本发明不受具体采用的光度法向计算方法的限制，无论是现有的光度法向计算方法还是将来开发的光度法向计算方法，都可以应用于根据本发明实施例的三维图像采集方法中，并且也应包括在本发明的保护范围内。
在步骤S240，基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。
接着上面的示例，可以令解得的向量为N(x,y)，并解如下最小二乘问题，求得最终的深度图像R：
argminR(w∑x,y(R(x,y)-Z(x,y))2+(Nz(x,y)(R(x,y)-R(x+1,y))-Nx(x,y))2+
(Nz(x,y)(R(x,y)-R(x,y+1))-Ny(x,y))2)
对于位于(x,y)的像素，它对应了一个三维点(x/f*R(x,y),y/f*R(x,y),R(x,y))。
基于上述计算，可以得出图像中每一点像素的三维点，将这些三维点聚合在一起可以得到被采集对象的三维图像的点云表示。
基于上面的描述，根据本发明实施例的三维图像采集方法基于两个或以上的图像传感器在两种或以上的光源条件下所采集的图像，通过将光度立体视觉与多目视觉的方法相结合，可以实现采集速度快(例如仅需连续三帧或两帧)、精度高、且成本低(例如仅需两个或以上的相机阵列和LED)的三维图像采集。
示例性地，根据本发明实施例的三维图像采集方法可以在具有存储器和处理器的设备、装置或者系统中实现。
根据本发明实施例的三维图像采集方法可以部署在个人终端处，诸如智能电话、平板电脑、个人计算机等。替代地，根据本发明实施例的三维图像采集方法还可以部署在服务器端(或云端)。替代地，根据本发明实施例的三维图像采集方法还可以分布地部署在服务器端(或云端)和个人终端处。
在一个实施例中，上述三维图像采集方法200可以用于三维人脸图像采集，即上述三维图像采集方法200中被采集对象可以是人脸。在将上述三维图像采集方法200用于三维人脸图像采集时，可以对在步骤S210所接收的图像先进行人脸检测(例如可以基于卷积神经网络)，以得到人脸区域图像用于后续的图像匹配、光度法向计算和三维图像计算。在另一个实施例中，对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。例如，可以在步骤S240根据图像匹配和光度法向计算的结果获得每个像素的三维点坐标之后，对接收到的图像进行人脸检测，得到属于人脸区域的像素集合，并将人脸区域内的像素对应的像素点坐标聚合在一起得到人脸的点云表示，从而，进一步获得三维人脸图像。
现有的高精度的人脸采集系统要么成本很高/体积很大(如激光扫描)，要么采集时间长/需要被采集者配合。基于相机阵列的方法的精度受制于基线长度和相机分辨率，难以进一步提高。基于光度立体视觉的方法会有整体变形的现象。而采用根据本发明实施例的三维图像采集方法进行三维人脸图像采集能够提高人脸采集的精度、速度，并能降低成本。
图4示出了根据本发明实施例的三维图像采集装置400的示意性框图。
如图4所示，根据本发明实施例的三维图像采集装置400包括接收模块410、图像匹配模块420、光度法向计算模块430和三维图像获得模块440。所述各个模块可分别执行上文中结合图2描述的三维图像采集方法的各个步骤/功能。以下仅对三维图像采集装置400的各单元的主要功能进行描述，而省略以上已经描述过的细节内容。
接收模块410用于接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像。图像匹配模块420用于对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配。光度法向计算模块430用于基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算。三维图像获得模块440用于基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。接收模块410、图像匹配模块420、光度法向计算模块430和三维图像获得模块440均可以由图1所示的电子设备中的处理器102运行存储装置104中存储的程序指令来实现。
根据本发明实施例，接收模块410所接收的图像可以来自两个或两个以上的图像传感器(例如双目相机、双目或多目摄像头等)，它们分别在分布不同的两组或两组以上的光源下采集同一对象的图像。示例性地，可以仅采用两个图像传感器在分布不同的两组光源下采集图像。
在一个示例中，第一组光源可以包括分布在两个图像传感器之间且彼此较为接近的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在另一个示例中，第一组光源可以包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，例如如图3所示，在图3中将图像传感器示例性地示出为摄像头(摄像头1和摄像头2)，并将所有发光装置示例性地示出为不同颜色的发光二极管(LED_白、LED_红、LED_绿和LED_蓝)。值得注意的是，图3中所示出的图像传感器与光源组的排布方法仅是一个示例，根据需要，还可以采用其他的排布方法来采集图像。
在该示例中，两个摄像头可以在仅第一组LED打开时分别采集到第一组图像I1_1(来自摄像头1)与I1_2(来自摄像头2)，并在仅第二组LED打开时分别采集到第二组图像I2_1(来自摄像头1)与I2_2(来自摄像头2)。
此外，在一个示例中，多个图像传感器还可以在没有上述多组光源的情况下分别采集图像，以作为背景光图像用于去除在多组光源的情况下所采集图像的背景光。此时，该三维图像采集装置400还可以包括去除背景光模块(未在图4中示出)，其可以用于将接收模块410所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于后续的图像匹配和光度法向计算。例如，在上面的示例中，两个摄像头还可以在第一组LED和第二组LED均不打开的情况下采集第三组图像I3_1(来自摄像头1)与I3_2(来自摄像头2)。因此，去除背景光模块可以计算去除了背景光的图像A1、A2、B1和B2，其中：
A1＝I1_1-I3_1，
A2＝I1_2-I3_2，
B1＝I2_1-I3_1，
B2＝I2_2-I3_2。
如果背景光线足够暗时，可以省略对背景光图像的采集，而直接采用多个图像传感器在多组光源的情况下分别采集的图像用于后续处理。
根据本发明实施例，图像匹配模块420可以对摄像头1和摄像头2在第一组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1和A2)进行图像匹配，或对摄像头1和摄像头2在第二组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像B1和B2)进行图像匹配。下面以摄像头1和摄像头2在第一组光源下采集的图像的匹配为例来描述。
例如，采用记号A1(x,y)来表示图像A1在(x,y)处的像素值。采用A1(x,y)r、A1(x,y)g、A1(x,y)b来依次表示其中的红、绿、蓝色的分量。对于图像A1中的每一个位于(x,y)处的像素，可以提取以该像素为中心的一个L*L的小区域内的图像块(patch)，其中，L为所提取的图像块区域的边长。可以将图像块中其他处的像素减去中心处对应颜色的值，排列为一个L*L*3维的向量F1(x,y)。
类似地，可以采用记号A2(x,y2)来表示图像A2在(x,y2)处的像素值，并采用同样的方法对图像A2进行处理，以得到向量F2(x,y2)。可以定义(x,y)与(x,y2)的匹配误差为：
Figure BDA0001135056050000121
对每个(x,y)，计算使上式最小的y2，设其为ym，则认为图像A1中点(x,y)处的像素的初步匹配结果为：
D(x,y)＝ym-0.5*(C(x,y,ym+1)-C(x,y,ym-1))/(C(x,y,ym+1)+C(x,y,ym-1)-C(x,y,ym)*2)
因此，(x,y)处的像素对应的初步深度值为Z(x,y)＝Z0/(D(x,y)-y)，其中Z0为一个与摄像头距离、镜头焦距、像素尺寸等有关的参数。
根据本发明实施例，光度法向计算模块430可以对摄像头1在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1和B1)进行光度法向计算，或对摄像头2在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A2和B2)进行光度法向计算。例如，光度法向计算模块430可以基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器(摄像头1或摄像头2)在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。下面以摄像头1在第一组光源和第二组光源下所分别采集的图像的光度法向计算为例来描述。
对于摄像头1在第一组光源下采集的图像(例如是经去除背景光后的图像A1)中的一个位于(x,y)的像素，根据图像匹配结果，计算像素(x,y)的初步深度值和初步三维坐标，令z＝Z(x,y)为初步深度值，则它在三维空间中对应的初步位置值为u＝(x/f*z,y/f*z,z)，其中f为一个与镜头焦距、像素尺寸等有关的参数。可以采用如下方法根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算该像素对应的光度法向：
设v0、vr、vg、vb为白光LED、红光LED、绿光LED、蓝光LED的三维位置，Lr0、Lg0、Lb0为白光LED中红、绿、蓝的分量，Lr、Lg、Lb为红光LED、绿光LED、蓝光LED的相对亮度值，求解如下方程组的最小二乘解：
Figure BDA0001135056050000131
Figure BDA0001135056050000132
Figure BDA0001135056050000133
其中，n＝(nx,ny,nz)满足nx 2+ny 2+nz 2＝1为待求解的法向。
根据本发明实施例，三维图像获得模块440可以令解得的向量为N(x,y)，并解如下最小二乘问题，求得最终的深度图像R：
argminR(w∑x,y(R(x,y)-Z(x,y))2+(Nz(x,y)(R(x,y)-R(x+1,y))-Nx(x,y))2+
(Nz(x,y)(R(x,y)-R(x,y+1))-Ny(x,y))2)
对于位于(x,y)的像素，它对应了一个三维点(x/f*R(x,y),y/f*R(x,y),R(x,y))。
基于上述计算，三维图像获得模块440可以得出图像中每一点像素的三维点，将这些三维点聚合在一起可以得到被采集对象的三维图像的点云表示。
基于上面的描述，根据本发明实施例的三维图像采集装置基于两个或以上的图像传感器在两种或以上的光源条件下所采集的图像，通过将光度立体视觉与多目视觉的方法相结合，可以实现采集速度快(例如仅需连续三帧或两帧)、精度高、且成本低(例如仅需两个或以上的相机阵列和LED)的三维图像采集。
根据本发明实施例，上述三维图像采集装置400可以用于三维人脸图像采集，即上述三维图像采集装置400中被采集对象可以是人脸。在将上述三维图像采集装置400用于三维人脸图像采集时，该三维图像采集装置400还可以包括人脸检测模块(例如基于卷积神经网络的人脸检测器，未在图4中示出)，其可以用于对接收模块410所接收的图像先进行人脸检测，以得到人脸区域图像用于后续的图像匹配、光度法向计算和三维图像计算。在另一个实施例中，人脸检测模块还可以对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，并根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。例如，可以在根据图像匹配和光度法向计算的结果获得每个像素的三维点坐标之后，人脸检测模块对接收到的图像进行人脸检测，得到属于人脸区域的像素集合，并将人脸区域内的像素对应的像素点坐标聚合在一起得到人脸的点云表示，从而，进一步获得三维人脸图像。采用根据本发明实施例的三维图像采集装置进行三维人脸图像采集能够提高人脸采集的精度、速度，并能降低成本。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
图5示出了根据本发明实施例的三维图像采集系统500的示意性框图。三维图像采集系统500包括图像采集装置510、存储装置520、以及处理器530。
其中，图像采集装置510用于针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集图像。
在一个示例中，图像采集装置510可以包括多个图像传感器。示例性地，图像采集装置510可以是双目相机、双目或多目摄像头等。
在另一个示例中，图像采集装置510可以包括多个图像传感器(例如双目相机、双目或多目摄像头等)和多组光源。其中，所述多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的所述多组光源下采集图像。
在一个示例中，第一组光源可以包括分布在两个图像传感器之间且彼此较为接近的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在另一个示例中，第一组光源可以包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，第二组光源可以包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置，例如如图3所示。值得注意的是，图3中所示出的图像传感器与光源组的排布方法仅是一个示例，根据需要，还可以采用其他的排布方法来采集图像。
此外，在一个示例中，图像采集装置510还可以在没有上述多组光源的情况下分别采集图像，以作为背景光图像用于去除在多组光源的情况下所采集图像的背景光。如果背景光线足够暗时，可以省略对背景光图像的采集，而直接采用图像采集装置510在多组光源的情况下分别采集的图像用于后续处理。
存储装置520存储用于实现根据本发明实施例的三维图像采集方法中的相应步骤的程序代码。处理器530用于运行存储装置520中存储的程序代码，以执行根据本发明实施例的三维图像采集方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的三维图像采集装置中的相应模块。
在一个实施例中，在所述程序代码被处理器530运行时使得三维图像采集系统500执行以下步骤：接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算；以及基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。
在一个实施例中，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
在一个实施例中，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
此外，在所述程序代码被所述处理器530运行时还使得三维图像采集系统500执行以下步骤：将所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
在一个实施例中，所述对象为人脸，并且在所述程序代码被所述处理器530运行时还使得三维图像采集系统500执行以下步骤：对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
在一个实施例中，所述程序代码被所述处理器530运行时使得三维图像采集系统500执行的所述基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算的步骤包括：基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。
此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在所述程序指令被计算机或处理器运行时用于执行本发明实施例的三维图像采集方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的三维图像采集装置中的相应模块。所述存储介质例如可以包括智能电话的存储卡、平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合，例如一个计算机可读存储介质包含接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像的计算机可读的程序代码，另一个计算机可读存储介质包含对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配的计算机可读的程序代码，再一个计算机可读存储介质包含基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算的计算机可读的程序代码，又一个计算机可读存储介质包含基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像的计算机可读的程序代码。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机运行时可以实现根据本发明实施例的三维图像采集装置的各个功能模块，并且/或者可以执行根据本发明实施例的三维图像采集方法。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机或处理器运行时使计算机或处理器执行以下步骤：接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算；以及基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果获得所述对象的三维图像。
在一个实施例中，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
在一个实施例中，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机或处理器运行时使计算机或处理器执行以下步骤：将所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
在一个实施例中，所述对象为人脸，并且所述计算机程序指令在被计算机或处理器运行时使计算机或处理器执行以下步骤：对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机或处理器运行时使计算机或处理器执行的所述基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算的步骤包括：基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向。
根据本发明实施例的三维图像采集装置中的各模块可以通过根据本发明实施例的三维图像采集电子设备的处理器运行在存储器中存储的计算机程序指令来实现，或者可以在根据本发明实施例的计算机程序产品的计算机可读存储介质中存储的计算机指令被计算机运行时实现。
根据本发明实施例的三维图像采集方法、装置、系统以及存储介质基于两个或以上的图像传感器在两种或以上的光源条件下所采集的图像，通过将光度立体视觉与多目视觉的方法相结合，可以实现采集速度快(例如仅需连续三帧或两帧)、精度高、且成本低(例如仅需两个或以上的相机阵列和LED)的三维图像采集。
尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的物品分析设备中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三维图像采集方法，其特征在于，所述三维图像采集方法包括：
接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；
对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；
基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算，其中，基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向；以及
基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果，获得所述对象的三维图像，其中，位于(x，y)处的像素所对应的三维图像坐标为(x/f*R(x，y)，y/f*R(x，y)，R(x，y))，f为已知参数，R(x，y)通过求解如下最小二乘问题而求得：argminR(w∑x，y(R(x，y)-Z(x，y))2+(Nz(x，y)(R(x，y)-R(x+1，y))-Nx(x，y))2+(Nz(x，y)(R(x，y)-R(x，y+1))-Ny(x，y))2)，其中，Z表示所述初步深度值，N表示所述光度法向。
2.根据权利要求1所述的三维图像采集方法，其特征在于，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
3.根据权利要求2所述的三维图像采集方法，其特征在于，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的三维图像采集方法，其特征在于，所述三维图像采集方法还包括：将所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的三维图像采集方法，其特征在于，所述对象为人脸，并且所述三维图像采集方法还包括：对所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
6.一种三维图像采集装置，其特征在于，所述三维图像采集装置包括：
接收模块，用于接收多个图像传感器针对同一对象分别在分布不同的多组光源下采集的图像；
图像匹配模块，用于对不同图像传感器在同组光源下采集的图像进行图像匹配；
光度法向计算模块，用于基于所述图像匹配的结果对同一图像传感器在不同组光源下采集的图像进行光度法向计算，其中，基于所述图像匹配的结果，计算所述同一传感器在一组光源下采集的图像中的像素的初步深度值和初步三维坐标，并且根据所述像素的初步深度值和初步三维坐标，计算所述像素对应的光度法向；以及
三维图像获得模块，用于基于所述图像匹配的结果和所述光度法向计算的结果，获得所述对象的三维图像，其中，位于(x，y)处的像素所对应的三维图像坐标为(x/f*R(x，y)，y/f*R(x，y)，R(x，y))，f为已知参数，R(x，y)通过求解如下最小二乘问题而求得：argminR(w∑xy(R(x，y)-Z(x，y))2+(Nz(x，y)(R(x，y)-R(x+1，y))-Nx(x，y))2+(Nz(x，y)(R(x，y)-R(x，y+1)))-Ny(x，y)2)，其中，Z表示所述初步深度值，N表示所述光度法向。
7.根据权利要求6所述的三维图像采集装置，其特征在于，所述多组光源包括两组光源，所述多个图像传感器包括两个图像传感器。
8.根据权利要求7所述的三维图像采集装置，其特征在于，所述两组光源中的第一组光源包括分布在所述两个图像传感器之间的白光发光装置，所述两组光源中的第二组光源包括发散地分布在所述两个图像传感器周围的红光发光装置、绿光发光装置和蓝光发光装置。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的三维图像采集装置，其特征在于，所述三维图像采集装置还包括：去除背景光模块，用于将所述接收模块所接收的图像计算为去除背景光的图像，以用于所述图像匹配和所述光度法向计算。
10.根据权利要求6-8中的任一项所述的三维图像采集装置，其特征在于，所述对象为人脸，并且所述三维图像采集装置还包括：人脸检测模块，用于对所述接收模块所接收的图像进行人脸检测，得到人脸区域图像，以用于根据所述图像匹配和所述光度法向计算的结果获得所述人脸的三维图像。
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