專利名稱：多平面鏡反折射系統(tǒng)的平面鏡夾角測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的反折射成像系統(tǒng)，具體涉及一種未標(biāo)定多平面鏡反折射系統(tǒng)的平面鏡夾角測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)視覺和攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，基于計(jì)算機(jī)視覺方法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)量已引起許多學(xué)者的關(guān)注和興趣。這種方法具有很多優(yōu)點(diǎn)(1).測(cè)量過程方便，測(cè)量結(jié)果客觀；(2).所需要的硬件設(shè)備簡單，成本低廉；(3).所獲取的數(shù)字化信息可以反復(fù)使用，而不需要再回到原來的實(shí)際場(chǎng)景。在基于計(jì)算機(jī)視覺的測(cè)量方法中最為典型的一種是通過統(tǒng)一場(chǎng)景的兩幅或多幅圖像利用立體視覺的方法重建出場(chǎng)景的三維結(jié)構(gòu)，從而測(cè)量出三維空間中任何亮點(diǎn)之間的距離。但是在獲取多幅圖像的過程中不同視點(diǎn)之間的標(biāo)定和同步需要較多的工作，為了避免這些問題，利用平面鏡的反折射性質(zhì)的在單幅圖像上一次獲得多個(gè)視點(diǎn)的成像系統(tǒng)在近期獲得了很多關(guān)注。K. Forbes,F. NicollsiG de Jager,and A· Voigt在Europ· Conf. Computer Vision 2006 的《Shape-fromsilhouette with two mirrors and an uncalibrated camera》禾口 Po-Hao Huang andShang-Hong Lai在IEEE International Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition 2006《Contour_based structure from reflection》都米用了平面鏡設(shè)計(jì)了反折射成像系統(tǒng)，在單幅圖像中直接一次獲取了多個(gè)視點(diǎn)的同一場(chǎng)景的圖像，進(jìn)而可以對(duì)場(chǎng)景的進(jìn)行幾何測(cè)量、三維重建。在類似的系統(tǒng)中平面鏡的夾角是一個(gè)重要的參數(shù)， 直接影響了測(cè)量和重建結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。以前的方法均是在對(duì)單目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后再進(jìn)行計(jì)算平面鏡間的夾角，這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)單目攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果依賴較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)的多平面鏡反折射成像系統(tǒng)中由于利用了多塊平面鏡而引起的平面鏡間夾角測(cè)量困難的問題，進(jìn)而提高單目攝像機(jī)的標(biāo)定的精度，提高三維場(chǎng)景重建的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明的原理為首先利用多平面鏡和單目攝像機(jī)，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)整真實(shí)單目攝像機(jī)的拍攝角度和光圈，對(duì)拍攝區(qū)域的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用閾值法取得標(biāo)志點(diǎn)， 應(yīng)用區(qū)域填空法得到標(biāo)志點(diǎn)的中心位置，對(duì)得到的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行橢圓擬合，利用橢圓計(jì)算圓環(huán)點(diǎn)的位置，進(jìn)而利用極限約束技術(shù)算得極點(diǎn)位置，利用極點(diǎn)和圓環(huán)點(diǎn)最終求得平面鏡間夾角。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下方案1 一種多平面鏡反折射系統(tǒng)的平面鏡夾角測(cè)量方法，所述多平面鏡反折射系統(tǒng)由兩面平面鏡組成，兩平面鏡鏡面相對(duì)，俯視成V字?jǐn)[放，其特征在于，包括如下步驟 (流程參見圖1)
A.用單目攝像機(jī)對(duì)多平面鏡反折射系統(tǒng)中的物體拍攝照片；B.在照片中獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)；C.計(jì)算圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)；D.根據(jù)拉蓋爾定理，利用圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)計(jì)算兩面平面鏡的夾角。方案2 作為方案1的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟A的實(shí)現(xiàn)方法為a)把待測(cè)物體放置于所述多平面鏡反折射系統(tǒng)中；b)用單目攝像機(jī)以俯視角度α拍攝照片，在同一張照片中同時(shí)獲取至少5個(gè)視點(diǎn)的場(chǎng)景。方案3 作為方案1的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟B的實(shí)現(xiàn)方法為Bi.用獲取的圖像和背景圖像相減，得到前景；Β2.利用閾值的方法獲取標(biāo)志點(diǎn)；Β3.用區(qū)域填空的方法得到標(biāo)志點(diǎn)的中心位置。方案4 作為方案1的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟C中圓環(huán)點(diǎn)的計(jì)算方法為利用圖像上5個(gè)不同視點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)擬合出一個(gè)橢圓，由多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)便可獲得多個(gè)橢圓，這些橢圓在三維空間對(duì)應(yīng)著互相平行的圓，在圖像上這些不同的橢圓的公共的一對(duì)共軛復(fù)交點(diǎn)即為圖像上的兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)I，Jo方案5 作為方案4的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟C中極點(diǎn)的計(jì)算方法為不同的點(diǎn)和它們的反射成像點(diǎn)間的連線在圖像上相交于一點(diǎn)，由于本系統(tǒng)的幾何性質(zhì)， 連接不同的點(diǎn)和它的反射成像點(diǎn)連線的交所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為極點(diǎn)，由此，根據(jù)獲取的標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算得到兩面平面鏡對(duì)應(yīng)的兩個(gè)極點(diǎn)。方案6 作為方案1的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟D中實(shí)現(xiàn)方法為兩面平面鏡間夾角θ和兩個(gè)極點(diǎn)(EnE2)和兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)(I，J)的關(guān)系如下θ = ^-XniEhEι,I ,J )。方案7 作為方案2的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟b)中角度α的取值在30° 100°之間。方案8 作為方案1的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，其特征在于，所述步驟A中，在獲取照片之后，對(duì)單目攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，對(duì)背景進(jìn)行建模，以便保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明充分利用多平面鏡間的反折射關(guān)系，解決了傳統(tǒng)的多平面鏡反折射成像系統(tǒng)中由于利用了多塊平面鏡而引起的平面鏡間夾角測(cè)量困難的問題，進(jìn)而提高了單目攝像機(jī)的標(biāo)定的精度，從而提高了三維場(chǎng)景重建的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖；圖2為系統(tǒng)拍攝的數(shù)據(jù)樣具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。由圖1的系統(tǒng)流程圖可以看出系統(tǒng)的整個(gè)處理過程由四個(gè)階段組成數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)識(shí)點(diǎn)的獲取、圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)的計(jì)算、鏡面夾角的最終獲得。1、數(shù)據(jù)預(yù)處理該階段包括圖像數(shù)據(jù)的采集——圖2為數(shù)據(jù)樣圖，單目攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，還有為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性而進(jìn)行的背景建模。由于本發(fā)明的硬件采集系統(tǒng)是由單目攝像機(jī)和多平面鏡組成，故而不必考慮相機(jī)陣列中涉及的同步控制采集圖像的問題，可以直接采集運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)。然后利用 X. Ying, K. Peng, R.Ren，H. Zha，“Geometric Properties of Multiple Reflections in Catadioptric Camera with TwoPlanar Mirrors，，，to appear in Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR* 10),San Francisco，CA，USA，June 13-18,2010方法，對(duì)單目攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，對(duì)背景進(jìn)行建模，以便保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。2、標(biāo)志點(diǎn)的跟蹤和獲取標(biāo)志點(diǎn)的跟蹤和獲取的方法是首先用獲取的圖像序列和背景圖像相減，得到前景；再利用閾值的方法獲取標(biāo)志點(diǎn)，再用區(qū)域填空的方法得到標(biāo)志點(diǎn)的中心位置。本發(fā)明利用國際上流行的多高斯或單高斯分布對(duì)每一個(gè)像素進(jìn)行建模，同時(shí)用獲取的圖像序列實(shí)時(shí)地更新背景圖像?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，背景建模已經(jīng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段完成。具體做法如下本發(fā)明的光源系統(tǒng)采用主動(dòng)發(fā)光的LED燈，將符合要求亮度的LED燈粘貼到測(cè)試物體上，對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)的光照環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟贾茫怪疂M足實(shí)驗(yàn)要求的光照條件。相機(jī)亮度調(diào)整到一定的亮度范圍(低亮度)，相機(jī)拍攝到的場(chǎng)景圖像中只顯示標(biāo)志點(diǎn)。這將大大降低標(biāo)志點(diǎn)的檢測(cè)難度。圖像中需要檢測(cè)的像素個(gè)數(shù)與標(biāo)志點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比。鑒于以上原因，本發(fā)明采用簡單的閾值法和區(qū)域生長算法來求取標(biāo)志點(diǎn)的區(qū)域。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法簡單、有效、快速、實(shí)用，對(duì)相機(jī)的幀率影響較小。程序流程1)設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)的閾值。2)將超過閾值的點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域生長，生成不同的區(qū)域。3)求取每個(gè)區(qū)域的(X，y)坐標(biāo)的均值作為標(biāo)志點(diǎn)的中心位置。3、圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)的計(jì)算當(dāng)取得標(biāo)志點(diǎn)后，在圖像上5個(gè)點(diǎn)可以唯一確定一個(gè)橢圓，從而利用圖像上5個(gè)不同視點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以擬合出一個(gè)橢圓。這些橢圓在三維空間對(duì)應(yīng)著互相平行的圓，在圖像上這些不同的橢圓的公共的一對(duì)共軛復(fù)交點(diǎn)即為圖像上的兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)I，J。由于鏡面反射的原因，每個(gè)點(diǎn)都會(huì)在平面鏡中反射成像。不同的點(diǎn)和它們的反射成像點(diǎn)間的連線在圖像上會(huì)相交于一點(diǎn)，由于本系統(tǒng)的幾何性質(zhì)，點(diǎn)和它的反射成像點(diǎn)連線的交所對(duì)應(yīng)的為極點(diǎn)。這樣兩面平面鏡對(duì)應(yīng)著的兩個(gè)極點(diǎn)可以直接由獲取的標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算得到。4、平面鏡夾角的計(jì)算在圖像中獲得圓環(huán)點(diǎn)和兩面平面鏡對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)后，利用拉蓋爾定理，兩面平面鏡間夾角θ和兩個(gè)極點(diǎn)E1, E2和兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)I，J的關(guān)系如下
權(quán)利要求
1.一種多平面鏡反折射系統(tǒng)的平面鏡夾角測(cè)量方法，所述多平面鏡反折射系統(tǒng)由兩面平面鏡組成，兩平面鏡鏡面相對(duì)，俯視成V字?jǐn)[放，其特征在于，包括如下步驟A.用單目攝像機(jī)對(duì)多平面鏡反折射系統(tǒng)中的物體拍攝照片；B.在照片中獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)；C.計(jì)算圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)；D.根據(jù)拉蓋爾定理，利用圓環(huán)點(diǎn)和極點(diǎn)計(jì)算兩面平面鏡的夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A的實(shí)現(xiàn)方法為a)把待測(cè)物體放置于所述多平面鏡反折射系統(tǒng)中；b)用單目攝像機(jī)以俯視角度α拍攝照片，在同一張照片中同時(shí)獲取至少5個(gè)視點(diǎn)的場(chǎng)景
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B的實(shí)現(xiàn)方法為 Bi.用獲取的圖像和背景圖像相減，得到前景；Β2.利用閾值的方法獲取標(biāo)志點(diǎn)；Β3.用區(qū)域填空的方法得到標(biāo)志點(diǎn)的中心位置。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟C中圓環(huán)點(diǎn)的計(jì)算方法為利用圖像上5個(gè)不同視點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)擬合出一個(gè)橢圓，由多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)便可獲得多個(gè)橢圓，這些橢圓在三維空間對(duì)應(yīng)著互相平行的圓，在圖像上這些不同的橢圓的公共的一對(duì)共軛復(fù)交點(diǎn)即為圖像上的兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)I，J。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟C中極點(diǎn)的計(jì)算方法為連接不同的點(diǎn)和它的反射成像點(diǎn)連線的交所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為極點(diǎn)，由此，根據(jù)獲取的標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算得到兩面平面鏡對(duì)應(yīng)的兩個(gè)極點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟D中實(shí)現(xiàn)方法為兩面平面鏡間夾角θ和兩個(gè)極點(diǎn)(EnE2)和兩個(gè)圓環(huán)點(diǎn)(I，J)的關(guān)系如下θ = \-ΜΕι,Ει,Ι ,J )。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟b)中角度α的取值在30° 100°之間。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A中，在獲取照片之后，對(duì)單目攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，對(duì)背景進(jìn)行建模。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多平面鏡反折射系統(tǒng)的平面鏡夾角測(cè)量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為利用多平面鏡和單目攝像機(jī)，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)整真實(shí)攝像機(jī)的拍攝角度和光圈，對(duì)拍攝區(qū)域的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采用閾值法取得標(biāo)志點(diǎn)，應(yīng)用區(qū)域填空法得到標(biāo)志點(diǎn)的中心位置，對(duì)得到的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行橢圓擬合，利用橢圓計(jì)算圓環(huán)點(diǎn)的位置，進(jìn)而利用極限約束技術(shù)算得極點(diǎn)位置，利用極點(diǎn)和圓環(huán)點(diǎn)最終求得平面鏡間夾角。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)的多平面鏡反折射成像系統(tǒng)中由于利用了多塊平面鏡而引起的平面鏡間夾角測(cè)量困難的問題，進(jìn)而提高了單目攝像機(jī)的標(biāo)定的精度，從而提高了三維場(chǎng)景重建的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01B11/26GK102226691SQ20111008220
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者任仁, 侯璐璐, 別懷偉, 孔菁, 彭琨, 楊李, 查紅彬, 英向華 申請(qǐng)人:北京大學(xué)