一種視覺測量中基於映射的相位匹配方法

2023-08-07 20:03:21

專利名稱：一種視覺測量中基於映射的相位匹配方法
技術領域：
本發明涉及一種計算機視覺測量技術，尤其是一種視覺測量中基於映射的相位匹配方法，適用於面結構光三維重建系統中的三維重建和精密測量。
背景技術：
三維重建在國內、國外都取得一定進展，且在逆向工程領域應用普遍。目前，基於雙目的面結構光重建技術應用較廣，精度較高，能夠滿足高精度工業檢測的需求，且已經產業化。基於正弦光的雙目結構光重建系統的工作原理為通過投影儀投射經過編碼的正弦光到物體表面，因物體表面凹凸不平而使結構光發生彎曲變形，通過左右兩個攝像機拍攝得到變形圖片，利用解相算法得到投射條紋的相位主值，然後對相位主值進行展開，得到絕對相位值；對兩個攝像機分別得到的絕對相位值進行匹配，得到匹配點對，結合攝像機參數信息，利用攝像機模型，解得點對的三維信息，從而實現大尺度高密度的面形三維重建。基於雙目的正弦結構光重建方法中最為關鍵的一步就是相位匹配算法。在雙目結構光測量系統中，不同位置的攝像機在相同時間和條件下，對同一測量對象進行拍照，然後在圖像空間中尋找同一測量對象表面物點在左右兩幅圖像中的對應像點，這個過程稱之為匹配。匹配算法國內外均有研究，基本思想是基於相似性度量和連續性假設。目前在正弦結構光領域應用較多是基於外極線的相位灰度匹配算法。但這些方法應用在高解析度的圖片時，將會非常耗時，性能極低，且不利於擴展到超過兩個以上的攝像機。在實際的拍照測量過程中，由於相移誤差，環境光影響，物體表面材質反光特性，攝像機鏡頭畸變失真，運動遮擋，陰影等各種因素，使得測量過程中的匹配成為困難且至關重要的一環。基於相關性的匹配方法是目前較為簡單，且在硬體上也是易於實現的匹配方法， 但這種方法由於物體表面反光特性和環境光影響，灰度相關性在現實環境中存在諸多不確定因素，導致匹配精度較低，匹配數量較少。基於特徵的匹配方法是根據圖像中提取的特徵信息，比如圓，直線，弧線，角點，不規則圖案等進行匹配，這種匹配方法精度較高，但是只能匹配得到特徵信息的三維數據。這些匹配方法中，大都通過增加約束條件，減小匹配範圍來提高精度。比如利用外極線約束，相容性約束，唯一性約束，連續性假設，偏差梯度，多通道結構匹配等。比如S. B. Marapane等提出的MPH匹配算法，獲得匹配正確率為85%左右。雖然目前各種匹配方法都獲得較大進展，但目前得以最為廣泛應用的匹配方法依然是基於外極線的匹配方法。此方法只需要在外極線上遍歷即可找到對應的匹配點。但是這種方法需要計算對應像點的外極線方程，且要在外極線上進行遍歷，需要花費時間較大， 特別是在大尺度圖像上，匹配性能變得非常低，這也是目前基於光柵的重建方法C⑶解析度一般都採用130萬像素左右的原因之一。

發明內容
本發明的目的旨在提供一種相位匹配方法，其具有簡單、速度快、匹配精度高，適用於大尺寸物體、高解析度攝像機，支持多目重建系統。本發明的使用條件為室內，避免環境光影響；室外，早晨或者傍晚無陽光照射的條件下也可使用，但精度會降低；對於被測物體表面材質無特殊要求，無強烈反光情況即可；不要求被測物體表面是幾何連續的。這種視覺測量中基於映射關係的相位匹配方法，其特徵在利用兩臺攝像機獲取被攝對象的照片，並同時投射以同種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線到目標物上，通過利用計算機視覺測量技術中的三步相移法得到相對相位主值，利用解相線獲得絕對相位值，利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的絕對相位值完成N :N的映射完成粗匹配，運用亞像素技術完成精細匹配。種視覺測量中基於映射的相位匹配方法，它的操作過程如下
1)選擇一種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線進行投影，分別投影水平和豎起的條紋和解相線，
2)使用兩個CCD攝像機進行拍照，兩攝像機各拍得8張照片；
3)運用三步相移法對光柵圖像進行解相，得到相對相位主值；
4)利用解相線對相位主值進行展開，得到絕對相位主值；
5)利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；
6)運用亞像素技術完成精細匹配。根據以上技術方案提出的這種基於映射關係的圖像匹配方法，沒有用到外極線約束條件，所以非常方便用於多目測量系統，很適於高解析度攝像機，而且圖像匹配與攝像機參數無關，也就是匹配精度不依賴於攝像機標定精度，因此匹配精度高速度快，適合於大尺寸物體的三維重建和精密測量。


圖1為圖像匹配點對間是一個N :N的關係示意圖； 圖2為絕對相位計算方法示意圖3為本發明的相位匹配方法流程示意圖； 圖4為左相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直)； 圖5為右相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直) 圖6為左相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直)； 圖7為右相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直)； 圖8為左相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直)； 圖9為右相機拍照所得標準球光柵圖片(豎直)； 圖10為左相機拍照所得豎直解相線圖片； 圖11為右相機拍照所得豎直解相線圖片； 圖12為左相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)； 圖13為右相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)； 圖14為左相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)； 圖15為右相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)；圖16為左相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)； 圖17為右相機拍照所得標準球光柵圖片(水平)； 圖18為左相機拍照所得豎水平解相線圖片； 圖19為右相機拍照所得水平解相線圖片； 圖20為標準球三維圖21為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖22為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖23為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖M為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖25為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖26為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖27為左相機拍照所得機械零件豎直解相線圖片； 圖觀為右相機拍照所得機械零件豎直解相線圖片； 圖四為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖30為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖31為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖32為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖33為左相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖34為右相機拍照所得機械零件光柵圖片(豎直)； 圖35為左相機拍照所得機械零件水平解相線圖片； 圖36為右相機拍照所得機械零件水平解相線圖片； 圖37為機械零件三維圖。
具體實施例方式本發明公開了一種基於映射關係的相位匹配方法，其特徵在利用兩臺攝像機獲取被攝對象的照片，並同時投射以同種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線到目標物上， 通過利用計算機視覺測量技術中的三步相移法得到相對相位主值，利用解相線獲得絕對相位值，利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的絕對相位值完成N =N的映射完成粗匹配，運用亞像素技術完成精細匹配。它的操作過程如下
1)選擇一種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線進行投影，分別投影水平和豎起的條紋和解相線，
2)使用兩個CCD攝像機進行拍照，兩攝像機各拍得8張照片；
3)運用三步相移法對光柵圖像進行解相，得到相對相位主值；
4)利用解相線對相位主值進行展開，得到絕對相位主值；
5)利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；
6)運用亞像素技術完成精細匹配。本發明利用現有的相位解相技術，採用基於映射的相位匹配方法，可以大大提高
5相位匹配的性能，提高相位匹配的精度，並且可以擴展為多個攝像機，從而結決了高解析度攝像機得到的大尺度圖片進行相位匹配慢的問題，使高解析度實時重建成為可能。本發明的使用條件為室內，避免環境光影響；室外，早晨或者傍晚無陽光照射的條件下也可使用，但精度會降低；對於被測物體表面材質無特殊要求，無強烈反光情況即可；不要求被測物體表面是幾何連續的。本發明利用求得水平、豎直的絕對相位值，結合投影儀的標準相位，利用映射關係，把兩個攝像機的絕對相位匹配起來。利用映射關係，根據一個方向的絕對相位值，可以確定攝像機圖像中某個點的坐標(U、v)對應投影儀中的一條線對應投影儀中的一條線115或
者vP。如有豎直的絕對相位值可以在投影儀中確定一條豎直的相位線，即可得到其在投影儀中的相應橫坐標
權利要求
1.一種基於映射關係的相位匹配方法，其特徵在利用兩臺攝像機獲取被攝對象的照片，並同時投射以同種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線到目標物上，通過利用計算機視覺測量技術中的三步相移法得到相對相位主值，利用解相線獲得最終的絕對相位值，利用得到的最終絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的絕對相位值完成N =N的映射完成粗匹配，運用亞像素技術完成精細匹配。
2.如權利要求1所述的一種視覺測量中基於映射的相位匹配方法，其特徵在於它的操作過程如下1)選擇一種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線進行投影，分別投影水平和豎起的條紋和解相線，2)使用兩個CCD攝像機進行拍照，兩攝像機各拍得8張照片；運用三步相移法對光柵圖像進行解相，得到相對相位主值；4)利用解相線對相位主值進行展開，得到最終的絕對相位主值；5)利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；6)運用亞像素技術完成精細匹配。
全文摘要
一種基於映射關係的相位匹配方法，其特徵在其特徵在利用兩臺攝像機獲取被攝對象的照片，並同時投射以同種頻率的正弦條紋和相應的條紋解相線到目標物上，通過利用計算機視覺測量技術中的三步相移法得到相對相位主值，利用解相線獲得最終的絕對相位值，利用得到的絕對相位主值和標準投射條紋的關係，把兩個攝像機所得的絕對相位值完成NN的映射完成粗匹配，運用亞像素技術完成精細匹配。由於該方法沒有用到外極線約束條件，所以非常方便用於多目測量系統，很適於高解析度攝像機，而且圖像匹配與攝像機參數無關，也就是匹配精度不依賴於攝像機標定精度，因此匹配精度高速度快，適合於大尺寸物體的三維重建和精密測量。
文檔編號G01B11/25GK102269575SQ201110120899
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月11日 優先權日2011年5月11日
發明者張啟航, 張迎果, 王治國 申請人:上海章旗柯維系統有限公司