一種三維內窺鏡及其三維重建方法技術

本發明專利技術涉及一種具有三維重建功能的三維內窺鏡，以及使用該內窺鏡進行三維重建的方法。本發明專利技術的內窺鏡無需特制的光學部件，僅在普通內窺鏡攝像頭前加裝若干LED燈，并利用標定球體進行光源方向標定，配合終端重建軟件，即可使內窺鏡具備三維重建功能。本發明專利技術的三維內窺鏡結構簡單、成本低，使用該三維內窺鏡的三維重建方法簡便，且圖像精度高。

【技術實現步驟摘要】
—種三維內窺鏡及其三維重建方法
本專利技術涉 及內窺鏡領域，具體涉及一種具有三維重建功能的內窺鏡，及其方法。
技術介紹
由于工業內窺鏡能夠無損的檢測到物體的狀態，同時還能觀察到人無法到達的地方，已經廣泛應用到許多工業領域中，例如在建筑業中墻壁，光纜的檢測，在油氣工業中管道內部情況的檢測，以及在汽車工業中發動機維修，安防領域中的爆炸物檢測等領域都廣泛的使用了工業內窺鏡。在工業內窺鏡的發展中，由于簡單的二維影像不能夠提供足夠的信息，因此三維內窺鏡的發展較為迅速。現有工業內窺鏡主要通過前端的微型攝像頭，伸到人眼難以觀測到的狹小空間內，拍攝其視頻圖像，供操作人員對該區域進行觀察。這種基于視頻圖像的觀測方法在很大程度上提高了檢測的效率，使人可以觀測到狹小空間的狀況。然而這種基于圖像的觀察方式，人只能看到二維的畫面信息，而無法直接觀測到目標的三維形貌。由此催生了三維內窺鏡技術的發展。現有的三維內窺鏡技術主要分兩種第一種是基于雙目視覺的內窺鏡技術，內窺鏡前端集成兩個微型攝像頭，通過立體匹配和三角測量原理，得到若干點的三維信息。然而，該方法的問題在于，其需要兩個攝像頭，因而產品體積無法做到很小，而且這種以來立體匹配的三維重構方法，無法獲得高密度的三維形貌信息，只能測量若干點處的三維深度信息。第二種方法是基于光學投影的三維內窺鏡技術，在內窺鏡前端集成一個微型攝像頭和一個用于光學條紋投射的鏡頭，通過攝像頭拍攝光纖投射出的條紋圖像，實現目標的三維重建。但該方法的問題在于其需要投射出多張具有特定信息的條紋圖像，因而前端的光學結構較為復雜，投射出的條紋圖案容易受到環境光和物體表面發射特性的影響，也無法獲得高密度的三維重建信息。因此，需要一種結構簡單、低成本的三維內窺鏡。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于光度學原理的三維重建內窺鏡方法結構簡單，成本低，并可以獲得高密度的三維形貌信息。本專利技術提供一種三維內窺鏡，包括內窺鏡前端；控制處理終端，用于控制所述攝像單元和所述燈，及處理所述攝像單元采集到的圖像；連接所述內窺鏡前端與所述控制處理終端的管線；以及標定球體，所述標定球體為半徑已知的鏡面反射球，用于在首次使用前標定所述燈的光源方向，所述內窺鏡前端包括前端殼體；在所述前端殼體內的攝像單元，用于采集圖像；在所述前端殼體內、所述攝像單元前方的至少三個沿所述前端殼體周向均勻布置的燈。所述控制處理終端可以為個人電腦或嵌入式單元，并且還可以包括存儲單元和/或輸出單元。所述攝像單元可以為攝像頭。所述燈可以為LED燈、紅外LED燈、紫外LED燈、光纖、白熾燈。每個所述燈的顏色也可以改變，如為紅色、綠色、藍色等。 所述管線可以為USB數據線，并且所述管線與所述控制處理終端可以通過USB接口連接。本專利技術另一方面提供一種使用所述的三維內窺鏡，進行三維重建的方法，包括步驟SlOl標定攝像單元的內參數，以獲得攝像單元的焦距、中心點坐標；S102利用標定球體,標定每個燈的光源方向I ;S103通過亮度補償來矯正近光源光照場，以確定近光源光照場中每個點的矯正系數；S104控制處理終端控制燈順序亮滅，并控制攝像單元依次采集每個燈亮起時目標的圖像，并根據步驟S103的矯正系數，確定圖像中每個像素點矯正后的亮度I ;S105利用步驟S104中采集的圖像，采用反射模型設定反射率P，建立目標的三維模型，并估算圖像中每個像素點的三維法向N，以得到三維法向場；S106通過法向場積分法，獲得目標的三維模型，其中步驟S102中，光源方向I的標定步驟如下S1021以攝像單元為原點O，建立像素坐標系，并依據攝像單元的焦距f確定攝像單元在像素坐標系上的像平面；S1022攝像單元捕獲標定球體上鏡面反射點s在像平面上的像點S，的坐標；S1023計算單元通過橢圓擬合，獲得鏡面反射球心c在像平面上的像點c’坐標； ( .丫S1024根據公式—=H2 -計算鏡面反射球心c的坐標；>S1025依據鏡面反射球心c的坐標和鏡面反射球半徑r，計算球面方程；S1026計算os’與球面方程的交點坐標，為鏡面反射點s的坐標；S1027依據鏡面反射球心c和鏡面反射點s的坐標確定法向量η ；S1028依據鏡面反射球半徑r和法向量η,通過式I = 2 (η · r)n_r,計算得到光源方向I。反射模型可以根據實際情況來確定，例如可以為朗伯反射模型。這些控制和處理操作可以通過安裝在控制處理終端的三維重建軟件進行。本專利技術的三維內窺鏡利用了光度學原理，結構簡單，成本低，且可以獲得高密度的三維形貌信息，具有廣闊的市場前景。附圖說明圖I為根據本專利技術的三維內窺鏡的總體結構示意圖。圖2為根據本專利技術的三維內窺鏡前端結構示意圖。圖3為根據本專利技術的三維重建方法的流程圖。圖4為本專利技術的方法中光源方向標定步驟裝置位置示意圖。圖5為本專利技術的方法中光源方向標定步驟的原理示意圖。圖6為本專利技術的方法中光源方向標定步驟的流程圖。具體實施方式本專利技術的三維內窺鏡基于光度學原理，該內窺鏡包含一個攝像單元，該攝像單元可以是普通的攝像頭，以及放置在攝像頭周圍的三個以上的燈，相比現有技術，該裝置結構簡單，成本低。在不需要三維重建功能時，燈可以為內窺鏡裝置提供普通的照明功能；當用戶需要了解目標的三維信息時，通過使若干燈依次亮起，由攝像頭拍攝各個角度燈照射下的目標圖像，通過系統預先的標定信息，用光度學的方法得到目標的三維重建結果。使用該內窺鏡的三維重建方法可以獲得高密度的三維形貌信息，具有廣闊的市場前景。下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步詳細說明。圖I所示為本專利技術的三維內窺鏡的總體結構示意圖。本專利技術的三維內窺鏡結構簡單，包括內窺鏡前端10、控制處理終端20、連接兩者的管線30，以及標定球體40。內窺鏡前端10用于探入腔體，采集腔體內目標的信息。管線30根據實際需要，可以是軟管或硬管。在本專利技術的方案中，管線30可以是USB數據線，并且管線30與控制處理終端20通過USB接口連接，如此有利于內窺鏡與終端設備之間的連接通信，并且方便擴展。控制處理終端20可以為個人電腦或嵌入式單元，并且還可以包括存儲單元和/或輸出單J Li ο標定球體40為為半徑已知的鏡面反射球,用于標定燈的光源方向,光源方向的標 定僅需要在第一次使用前進行一次，無需每次使用都要進行。圖2示出本專利技術的三維內窺鏡前端10的結構，內窺鏡前端10由前端殼體11、位于前端殼體11內的攝像單元12和至少三個燈(131、132、133……)構成。攝像單元12可以是普通的攝像頭，用于采集目標的圖像。燈11放置在攝像單元12前方，沿前端殼體11內周均勻放置。在內窺鏡的操作中，燈可以提供普通的照明功能，當用戶需要了解目標的三維信息時，可以對燈進行操作，配合攝像單元獲得相應圖像，并通過控制處理終端的處理，獲得目標的三維信息。燈可以為LED燈、紅外LED燈、紫外LED燈、光纖、白熾燈。并且每個燈的顏色也可以改變，如為紅色、綠色、藍色等。例如，在本專利技術的具體實例中，專利技術人采用以下硬件系統攝像單元為普通攝像頭，分辨率640 X 480像素，速度30幀/秒；本專利技術使用四個白色光LED燈，發光角度120度，電壓3. 5V，功率O. Iff；標定球體為鏡面反射球體，具體為直徑25毫米的不銹鋼球體，其最大截面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維內窺鏡，包括：內窺鏡前端，所述內窺鏡前端包括：前端殼體；在所述前端殼體內的攝像單元，用于采集圖像；在所述前端殼體內、所述攝像單元前方的至少三個沿所述前端殼體周向均勻布置的燈；控制處理終端，用于控制所述攝像單元和所述燈，及處理所述攝像單元采集到的圖像；連接所述內窺鏡前端與所述控制處理終端的管線；以及標定球體，所述標定球體為半徑已知的鏡面反射球，用于在首次使用前，標定所述燈的光源方向。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋展，
申請(專利權)人：中國科學院深圳先進技術研究院，
類型：發明
國別省市：