基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算深度空間分辨率低，深度精度低的問題。其實(shí)現(xiàn)步驟為：設(shè)計(jì)隨機(jī)模板P，經(jīng)投影儀T將該隨機(jī)模板P投射到三維場(chǎng)景中，用攝像機(jī)C記錄經(jīng)場(chǎng)景調(diào)制過的變形圖像U；分別對(duì)隨機(jī)模板P、變形圖像U滑窗求均值得到類條紋圖像Q和變形條紋圖像B；使用Gabor濾波器求取這兩類圖像中像素點(diǎn)的相位；由相位關(guān)系得到變形條紋圖像B中像素點(diǎn)與類條紋圖像Q中像素點(diǎn)的粗略匹配結(jié)果；對(duì)粗略匹配結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，得到最終的精確匹配結(jié)果；用匹配點(diǎn)坐標(biāo)與線面相交幾何關(guān)系求出對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的深度。本發(fā)明具有深度空間分辨率高、計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，可用于對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的精確三維重建。
【專利說明】基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度的獲取，可用于三維重建或目標(biāo)識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，在許多領(lǐng)域中，都需要獲取物體的形狀或空間位置等三維信息。在諸如人機(jī)交互、機(jī)器人深度感知、質(zhì)量檢測(cè)、逆向工程、數(shù)字化建模等眾多領(lǐng)域，都有著十分重要的應(yīng)用。目前，三維測(cè)量方法主要包括被動(dòng)測(cè)量法和主動(dòng)測(cè)量法。
[0003]被動(dòng)式測(cè)距方法不需要對(duì)場(chǎng)景中添加可控光源，僅由環(huán)境中本身的光源來提供照明?？纱篌w分為立體視覺法、聚焦法、陰影測(cè)量法等。雖然被動(dòng)式測(cè)量方法對(duì)成像設(shè)備要求不高，不需要額外光源，且操作簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于不存在明顯特征的圖像，該方法計(jì)算量大，匹配精度低，難以獲得精細(xì)的測(cè)量結(jié)果。
[0004]在主動(dòng)式測(cè)量中，需要使用一個(gè)特定的光源對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行照明，并在被測(cè)物體上形成相應(yīng)的形變信息，進(jìn)而通過對(duì)形變信息的解碼可得到被測(cè)物體的深度信息。這種方法測(cè)量精度較高，應(yīng)用廣泛。目前此類方法主要可分為激光掃描法、飛行時(shí)間法、結(jié)構(gòu)光法。
[0005]激光掃描法，是激光技術(shù)的應(yīng)用之一，運(yùn)用激光測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)的深度測(cè)量。但是激光測(cè)量法所用的設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)量精度受發(fā)射噪聲以及雜光的影響較大。
[0006]飛行時(shí)間法，其原理是通過計(jì)算接收到的光波的延時(shí)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景深度的求取。該方法原理簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，基于該方法所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品攜帶方便，但是需要多次測(cè)量數(shù)據(jù)來求取深度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，無法適用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。
[0007]結(jié)構(gòu)光法，其原理是利用投射設(shè)備將具有一定規(guī)律的結(jié)構(gòu)光模板投射到被測(cè)目標(biāo)表面，將采集到的圖像數(shù)據(jù)結(jié)合三角測(cè)距原理以及圖形處理技術(shù)計(jì)算出物體表面的深度數(shù)據(jù)信息。利用結(jié)構(gòu)光法實(shí)現(xiàn)深度數(shù)據(jù)的測(cè)量具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而引起各界學(xué)者的廣泛關(guān)注。基于結(jié)構(gòu)光的測(cè)量方法又分為基于時(shí)間編碼和基于空間編碼兩種方法?；跁r(shí)間編碼的方法因其需要一組投射模板，適用于靜態(tài)場(chǎng)景；基于空間編碼的方法將所有的編碼信息壓縮到一幅圖中，因而只需投射一幅編碼圖案即可獲得三維數(shù)據(jù)，適用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的檢測(cè)。因此，為精確獲取動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的深度值，基于空間編碼的方法比較合適。
[0008]目前較多的結(jié)構(gòu)光空間編碼方式為基于顏色的編碼方式，將不同顏色按照一定的編碼方式進(jìn)行排列進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)彩色結(jié)構(gòu)光模板。如江蘇大學(xué)提出的一種基于彩色偽隨機(jī)編碼投影的特征點(diǎn)匹配方法，專利號(hào)為201010018212.4。此發(fā)明將不同顏色按照偽隨機(jī)序列進(jìn)行排列產(chǎn)生模板。通過像素點(diǎn)顏色的閾值不同進(jìn)行特征區(qū)域區(qū)分，進(jìn)而得到圖像與模板的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是，這種方法由于受到CCD攝像機(jī)顏色保真度及分辨率的影響而無法得到理想的效果和精度，而且不同顏色的場(chǎng)景對(duì)各個(gè)顏色的響應(yīng)不同，所以攝像機(jī)記錄下的顏色不能完全反映模板的顏色，導(dǎo)致在解碼過程中容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，以在不增加設(shè)備復(fù)雜性以及計(jì)算復(fù)雜性的情況下，避免顏色解碼錯(cuò)誤和匹配點(diǎn)定位不準(zhǔn)確的問題，獲取高精度的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度值。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟:
[0011](I)生成隨機(jī)模板P，并經(jīng)投影儀T將該隨機(jī)模板P投射到三維場(chǎng)景中，用攝像機(jī)C記錄經(jīng)場(chǎng)景調(diào)制過的變形圖像U ；
[0012](2)分別對(duì)隨機(jī)模板P和變形圖像U分別進(jìn)行滑窗求均值，分別得到類條紋圖像Q和變形條紋圖像B，條紋周期為M ；
[0013](3)將類條紋圖像Q和變形條紋圖像B分別與Gabor濾波器卷積，分別得到卷積結(jié)果 Rq (xq, Ii1)和 Rb (xb, k2):
【權(quán)利要求】
1.一種基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，包括如下步驟: (1)生成隨機(jī)模板P，并經(jīng)投影儀T將該隨機(jī)模板P投射到三維場(chǎng)景中，用攝像機(jī)C記錄經(jīng)場(chǎng)景調(diào)制過的變形圖像U ； (2)分別對(duì)隨機(jī)模板P和變形圖像U分別進(jìn)行滑窗求均值，分別得到類條紋圖像Q和變形條紋圖像B，條紋周期為M ; (3)將類條紋圖像Q和變形條紋圖像B分別與Gabor濾波器卷積，分別得到卷積結(jié)果Rq (xq, K)和 Rb (xb.k2):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，其中步驟(I)所述的生成隨機(jī)模板P，按如下步驟進(jìn)行: (Ia)隨機(jī)生成一張黑色圖像，將該圖像分成若干8*8的單元塊，每個(gè)塊的第X列白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)C(X)為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，其中所述步驟(2)中對(duì)隨機(jī)模板P進(jìn)行滑窗求均值，是選用4*8大小的窗口按如下公式對(duì)隨機(jī)模板P進(jìn)行滑窗求均值:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，其中所述步驟(2)的對(duì)變形圖像U進(jìn)行滑窗求均值，是選用4*8大小的窗口按如下公式對(duì)變形圖像U進(jìn)行局部滑窗求均值:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，其中步驟(5)所述的對(duì)隨機(jī)模板P和變形圖像U進(jìn)行塊匹配，確定步驟(5)中的相位周期Ctl，按如下步驟進(jìn)行: (5a)選用歸一化相關(guān)系數(shù)法作為匹配窗口相似度衡量準(zhǔn)則，匹配窗口的大小選為8*8，在變形圖像U中找到與變形條紋圖像B中像素點(diǎn)Xb對(duì)應(yīng)位置的像素點(diǎn)xu，設(shè)像素點(diǎn)Xu坐標(biāo)為(r，c)，以像素點(diǎn)xu為中心確定8*8匹配窗口，搜索隨機(jī)模板P，計(jì)算為歸一化相關(guān)系數(shù) D(r, c):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)模板的結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)場(chǎng)景深度獲取方法，其中所述步驟(8)用線面相交幾何關(guān)系求得對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的深度值D，通過如下公式進(jìn)行:
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103942802SQ201410178911
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】石光明, 李芹, 張少飛, 李甫, 高山, 楊莉莉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)