以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維測量方法及系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維數(shù)字成像、三維重建及三維造型技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種以計算 激光散斑為紋理的立體視覺三維面形測量方法及系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 三維形貌測量，其應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋諸如工業(yè)檢測、文物保護、地理測繪、建筑建模、 逆向工程、醫(yī)學整型、電影動畫、體感娛樂、虛擬現(xiàn)實以及三維打印等領(lǐng)域。其中，主動光立 體視覺作為一種重要的三維測量方法，以其測量速度快、結(jié)構(gòu)簡單、精度較高的特點，被大 量應(yīng)用于科學研究與商業(yè)儀器中；其基本流程是：（1)標定出左右相機的坐標關(guān)系；（2)投 影結(jié)構(gòu)光到被測物表面，形成特征紋理；（3)左、右相機同時各采集一幅圖像，得到左視圖 和右視圖；（4)匹配左、右視圖中相互對應(yīng)的匹配點，并計算視差；（5)根據(jù)視差和左右相機 坐標關(guān)系，計算得到被測物的三維點云。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 上述主動光立體視覺三維測量方法的第（4)步的計算效果往往最為影響最終的 三維點云的準確性，而第（2)步所投射的特征紋理，對第（4)步的計算效果影響非常大；因 此理想的紋理應(yīng)該是它的每一個局部的光亮度分布特征都是獨一無二的，即任意選取一個 觀察點，其周圍區(qū)域的紋理分布與自身之外的任意一個點周圍區(qū)域的紋理分布都不一樣， 這樣才能確保上述第（4)步所找到的匹配點完全正確。
[0004] 李美菊等提出了一種用市面上能買到的投影儀投影數(shù)字散斑到被測物體表面作 為紋理的雙目視覺系統(tǒng)的立體匹配方法（文獻：李美菊.投影數(shù)字散斑雙目視覺系統(tǒng)的立 體匹配[D].四川大學，2005)。該方法所述的"數(shù)字散斑"是這樣形成的：把一個屏幕分成 一定大?。ㄔ撜撐倪x用的是3X3個像素）的子圖像，每個子圖像都隨機選取一個像素，將 其灰度設(shè)定為255 (最亮），其余像素灰度設(shè)定為零。這種方法產(chǎn)生的散斑固然有一定的隨 機性，但不能保證任一區(qū)域紋理特征都具有唯一性。如果匹配窗口的大小為3X3個像素， 那么錯誤匹配的概率（簡稱"誤配率"）將高達1/9 ;當然隨著匹配窗口的增大，誤配率會下 降，但原則上難以完全消除誤配。
[0005] 杭州先臨三維科技股份有限公司提出了數(shù)字散斑投影和相位測量輪廓術(shù)相結(jié)合 的三維數(shù)字成像方法（參考文獻：周勁，趙曉波.數(shù)字散斑投影和相位測量輪廓術(shù)相結(jié)合 的三維數(shù)字成像方法[P].浙江：CN101608908, 2009-12-23)。該方法中使用投影機向被測 物投射"散斑圖案"以消除正弦條紋相位匹配的不確定性，該方法未指明散斑的形成方法及 具體參數(shù)。
[0006]Schaffer等人提出了 一種用Nd:YAG激光器作為相干光源，照射到散射屏，再 通過一個透鏡系統(tǒng)，將散射光投射到被測物的表面，形成激光散斑，從而進行立體視覺三 維成像的方法（參考文獻：SchafferM，GrosseM，KowarschikR.High-speedpattern projectionforthree-dimensionalshapemeasurementusinglaserspeckles[J]. Appliedoptics，2010, 49(18) :3622-3629)。該方法所述激光散斑是由激光束照射到粗糙 的物體表面，由該表面散射（透射或者反射）的光照射到觀察面而形成的光斑。由于觀察 面上的光強是由無數(shù)束散射光疊加而成，而任意一束散射光的位相都是隨機的，相干疊加 的結(jié)果使得觀察面上任意一處的光強都是隨機的。因此激光散斑理論上可以成為理想的雙 目視差三維測量紋理。為了獲得足夠的紋理亮度，他們選用的激光器功率達到200mW。該方 法的成本較高，裝置的體積較大，系統(tǒng)比較脆弱，不宜做成民用、低成本的商品化儀器。
[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種采用低成本、高可靠性 的理想激光散斑圖投射方案，使被測物表面形成激光散斑紋理，完全避免了現(xiàn)有測量方法 中要么匹配點找錯或找不到、要么裝置的成本較高，難以普及推廣的問題，而且誤匹配的幾 率極低，對環(huán)境光干擾的對抗能力強，成像速度快，成本低，易于普及推廣的立體視覺三維 面形測量方法及系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：
[0009] -種以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維面形測量方法，包括：首先模擬激光 散斑的形成過程，并計算得到數(shù)字化的激光散斑圖，然后將該激光散斑圖輸出到菲林或照 相干板上，接著將菲林或照相干板上的激光散斑圖投射到被測物體的表面；最后采集被測 物體的左、右視圖，并在左、右視圖中找出被測物體表面所有相互對應(yīng)的匹配點，且根據(jù)匹 配點的視差數(shù)據(jù)，重建得到被測物表面的三維點云。
[0010] 進一步地，所述"計算得到數(shù)字化的激光散斑圖"為模擬相干光被粗糙表面散射， 形成多束散射光，該多束散射光傳播到觀察面，相干疊加形成激光散斑圖，觀察面上各點的 光強數(shù)值是經(jīng)數(shù)值計算得到的。
[0011] 進一步地，所述"數(shù)值計算"具體為：設(shè)從粗糙表面任意一點散射到觀察面點P的 光線的振幅均為1或為隨機數(shù)，則觀察面點P的光強公式為：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 所述11/為從散射點（i，j)散射到觀察面點P的光線的位相，其公式為
[0016] 所知
為散射點S(Xl，y])到觀察面點P(u，v)的距離， 所述"hy"為散射點的相對高度，即某散射點高度對所有散射點平均高度的偏離量，所述Xl 和yj分別為序號為（i，j)散射點的坐標，
，當中 的和一^分別為散射面上mXn個間隔均勾的散射點中橫向和縱向相鄰散射點之間的 前.n 間隔，m、n取值為：
[0017]
[0018] 其中Z。是散射平面到觀察平面的距離，A是激光的波長，Lx為散射面的長度，Ly 為散射面的寬度，Lpx為接收平面的長度，Lpy為接收平面的寬度；各個散射點的高度是相互 獨立的隨機數(shù)，記為h(i，j);其數(shù)值用計算機的隨機數(shù)生成器生成，正負雙向取值，平均值 為〇,方均根值大于等于二分之一波長入；
[0019] 通過控制1^、1^、波長A以及散射面與觀察面間的距離Z。，可以改變散斑在x方向 與y方向的自相關(guān)長度1^和L。,，即散斑尺寸；它們之間的關(guān)系是：
[0020]
[0021]
[0022] 進一步地，所述散斑的水平及垂直自相關(guān)長度1^和1^可根據(jù)被測物面形特征、測 量系統(tǒng)參數(shù)和匹配精度最優(yōu)原則進行調(diào)整。
[0023] 進一步地，所述"采集被測物體的左、右視圖，并在左、右視圖中找出被測物體表面 所有相互對應(yīng)的匹配點，且根據(jù)匹配點的視差數(shù)據(jù)，重建得到被測物表面的三維點云"，具 體為：首先根據(jù)左右圖像采集設(shè)備之間由旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T確定的相對位置，進行 左、右視圖行對齊；接著使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應(yīng)的匹配點，直至左、右視圖 中所有相互對應(yīng)的匹配點均被找出，從而得到左、右視圖間的視差圖；最后根據(jù)立體視覺三 維重建公式，對視差圖進行計算，得到三維點云數(shù)據(jù)，完成數(shù)字三維成像；該三維重建公式 為：
[0024]
[0025] 其中，（Up 是左、右視圖彳丁對齊后，左視圖上某點的坐標；d是該點與其在右視 圖上對應(yīng)的匹配點之間的視差；Q矩陣，通過雙目立體視覺標定得到。
[0026] 進一步地，所述"使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應(yīng)的匹配點"，具體為：在 行對齊后，使用SAD匹配算法，當SAD窗口大小為2m+l時，通過以下計算公式得到同一行中 SAD值最小處的點，即為匹配點的位置；
[0027]
[0028] 式中，（i，j)是左視圖中的一個點，d是該點與右視圖中對應(yīng)的匹配點間的視差， 匕和PR分別是當前像素位置上的灰度值。
[0029] 進一步地，所述"使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應(yīng)的匹配點"中的"匹配 算法"為誤差平方和（SSD)匹配算法、歸一化交叉相關(guān)（NCC)匹配算法或零均值交叉相關(guān) (ZNCC)匹配算法。
[0030] 進一步地，所述"將菲林或照相干板上的激光散斑圖投射到被測物體的表面"中所 采用的投射光是非相干單色光，同時采集被測物體的左、右視圖時通過窄帶濾光片阻止該 非相干單色光