非接觸無損全方位三維建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了非接觸無損全方位三維建模方法，利用標定板對雙目攝像機進行標定，并獲取立體圖像對，為圖像中每個像素計算它的自適應十字架，根據(jù)自適應十字架為每個像素評估它的自適應匹配窗，利用自適應匹配窗獲取匹配代價，利用匹配代價，分別構建數(shù)據(jù)項、精制項、平滑項和分割項，然后對能量方程進行能量最小化，獲得最終視差分布，并根據(jù)最終視差分布進行三維重建。本發(fā)明通過利用立體視覺方法進行三維重建，避免了因接觸式三維建模方法對物體造成的損害，采用自適應匹配代價方法，有效地提高了三維重建精度，具有較好的實用性。
【專利說明】非接觸無損全方位三維建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機視覺【技術領域】，尤其涉及ー種非接觸無損全方位三維建模方法。
【背景技術】
[0002]隨著信號處理科學和計算機技術的發(fā)展，計算機視覺作為人工智能的一個新領域也逐漸形成并得到了極大的發(fā)展，計算機視覺技術用攝像機代替人眼獲取景物圖像并轉換為數(shù)字信號，利用計算機代替人的大腦對客觀世界進行視覺感知和解釋。雖然目前還不能夠使計算機、機器人或其他智能機器也具有像人類等生物那樣高效、靈活和通用的視覺，但自20世紀50年代以來視覺理論和技術得到了迅速發(fā)展，從阿帕奇上的頭盔瞄準到軍用車輛上的電子穩(wěn)像，從導彈上的圖像制導到軍事目標識別，計算機視覺已被廣泛的應用于軍事、制造業(yè)、檢驗、文檔分析、醫(yī)療診斷等各種領域。而隨著個人計算機的發(fā)展，硬件成本的降低促進了計算機視覺這一新興技術逐步走入人們的生活，為人們所熟悉。
[0003]計算機視覺中三維建模方法分接觸式建模方法和非接觸式建模方法。其中接觸式建模方法需要觸碰實際物體的表面，如使用測徑器、尺子和坐標測量機等。雖然坐標測量機可以精確地獲得重建物體的數(shù)據(jù)，但由于必須接觸物體，有可能對待測物造成污染、變形或損壞，不太合適用于一些價值較高的物體如遺跡古文物和古文物等的重建。非接觸式建模方法可以分為主動式和被動式兩種。主動視覺系統(tǒng)一般采用結構光的方法，該方法通常包括一臺攝像機和ー個投影儀，投影儀向物體投射ー些人工設計的圖案，攝像機拍攝被照物體得到這些結構光圖案在物體表面形成的變形圖像，利用結構光的編碼技術和三角測量方法，來恢復物體的三維結構。這種方法借助結構光的信息，從而簡化了圖像匹配問題。被動視覺方法即立體視覺方法，用多臺攝像機或一臺攝像機在不同位置拍攝多幅物體圖像來恢復場景深度信息，但這類方法有在不同圖像間尋找匹配關系的問題，圖像匹配是計算機視覺領域的ー個經(jīng)典難題，從而限制了這類方法的廣泛應用。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服弱紋理區(qū)域、視差不連續(xù)區(qū)域以及遮擋區(qū)域容易產(chǎn)生噪聲、失真或異常值等問題，提出ー種非接觸無損全方位三維建模方法，它能夠在那些傳統(tǒng)計算困難區(qū)域取得魯棒性表現(xiàn)，過濾掉大部分的異常像素點，重建出更加接近真實物體表面的三維結果。
[0005]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術方案如下:
[0006]ー種非接觸無損全方位三維建模方法，用于采用雙目攝像機來實現(xiàn)計算機視覺的三維重建，包括步驟:
[0007]I)、利用標定板對雙目攝像機進行標定，并獲取立體圖像對；
[0008]2)、為立體圖像對中每個像素計算它的自適應十字架；
[0009]3)、根據(jù)自適應十字架為每個像素評估它的自適應匹配窗；[0010]4)、利用自適應匹配窗獲取匹配代價；
[0011]5)、通過處理遮擋區(qū)域和圖像邊界來優(yōu)化匹配代價；
[0012]6)、利用優(yōu)化的匹配代價來構建能量方程；
[0013]7)、對能量方程進行能量最小化，獲得最終視差分布；
[0014]8)、根據(jù)最終視差分布進行三維重建。
[0015]進ー步地，所述獲取立體圖像對包括步驟:分別從主坐標系和三個副坐標系四處位置獲取四對立體圖像對，所述主坐標系是指雙目攝像機初始位置坐標系，所述三個副坐標系是指以載物臺中心軸為基準，分別旋轉90°、180°、270°所在位置坐標系。
[0016]所述為立體圖像對中每個像素計算它的自適應十字架，包括步驟:
[0017]對于任意一個位于立體圖像對中的像素P，以四元組Wpj表示像素
P的左臂長右臂長<、上臂長wp—和下臂長Wp+，L是預先設定的最大臂長，T為控制顏色相似性的置信度；
[0018]對于左臂長，對位于像素p左側水平線上的一組連續(xù)的像素進行顏色相似度計算,Pi=(Xp- yp)表示像素p左側水平線上第i個元素，I。表示對應顏色分量的顏色值,Ic (p)表示P像素對應顏色分量c的顏色值，Ic(Pi)表示Pi像素對應顏色分量c的顏色值，則當:
【權利要求】
1.ー種非接觸無損全方位三維建模方法，用于采用雙目攝像機來實現(xiàn)計算機視覺的三維重建，其特征在于，該方法包括步驟: 1)、利用標定板對雙目攝像機進行標定，并獲取立體圖像對； 2)、為立體圖像對中每個像素計算它的自適應十字架； 3)、根據(jù)自適應十字架為每個像素評估它的自適應匹配窗； 4)、利用自適應匹配窗獲取匹配代價； 5)、通過處理遮擋區(qū)域和圖像邊界來優(yōu)化匹配代價； 6)、利用優(yōu)化的匹配代價來構建能量方程； 7)、對能量方程進行能量最小化，獲得最終視差分布； 8)、根據(jù)最終視差分布進行三維重建。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維建模方法，其特征在于，所述獲取立體圖像對包括步驟:分別從主坐標系和三個副坐標系四處位置獲取四對立體圖像對，所述主坐標系是指雙目攝像機初始位置坐標系，所述三個副坐標系是指以載物臺中心軸為基準，分別旋轉90°、180。、270。所在位置坐標系。
3.根據(jù)權利要求1所述的三維建模方法，其特征在于，所述為立體圖像對中每個像素計算它的自適應十字架，包括步驟: 對于任意一個位于立體圖像對中的像素P，以四元組Wp+丨表示像素P的左臂長、右臂長、上臂長wp_和下臂長Wp+，L是預先設定的最大臂長,T為控制顏色相似性的置信度； 對于左臂長qf，對位于像素P左側水平線上的一組連續(xù)的像素進行顏色相似度計算，Pi=(xp-1, yp)表示像素p左側水平線上第i個元素，I。表示對應顏色分量的顏色值，Ic(P)表示P像素對應顏色分量c的顏色值，Ic(Pi)表示Pi像素對應顏色分量c的顏色值，則當:1停止遞增，令= I — 1，否則，令！ =L- 1，得到左臂長q;; 同理得到右臂長<|よ、上臂長Wf和下臂長Wp+; 計算像素P在水平線上的積分Q(P)和在垂直線上的積分W(p):
Q\ph {(ろァ)x4:xp-q—p,xp +ci+P\y=yP}
W{p) = {(-' v) X = xp, y e [yp - <, yp + w; ]} Q(P)和W(p)共同決定了像素p的自適應十字架，其中X表示像素的橫坐標變量，y表示像素的縱坐標變量，xp, yp為像素p的坐標。
4.根據(jù)權利要求3所述的三維建模方法，其特征在于，所述根據(jù)自適應十字架為每個像素評估它的自適應匹配窗，包括步驟: 沿著像素P的垂直線上的積分W(p)滑動，對多個水平線上的積分Q(q')做ー個區(qū)域積分操作，計算得到像素P的自適應匹配窗U(p)，其中:
5.根據(jù)權利要求4所述的三維建模方法，其特征在干，所述立體圖像對包括左圖和右圖，左圖中擁有視差d的像素p=(xp，yp)可以在右圖中找到對應像素p' =(xp-d, yp)，像素





P和像素p'之間的匹配代價計算公式如下:
6.根據(jù)權利要求5所述的三維建模方法，其特征在于，所述通過處理遮擋區(qū)域和圖像邊界來優(yōu)化匹配代價，用d(p)表示左圖中像素p=(xp，yp)的視差，同時d' (p')表示右圖中像素P' = (xp-d(p), yp)的視差，[dmin, dmax]表不視差的取值范圍，P表不左圖中所有像素的集合，則d(P)表示左圖對應的視差圖，P'表示右圖中所有像素的集合，d' (P')表示右圖對應的視差圖，p" =(xp-d (p)+d/ (p' ),yp),則: 當d(p)>d' (p')和d' (p')≤d(p")，對于遮擋區(qū)域像素p對應的匹配代價，用臨近領域像素P "對應的匹配代價來替換； 對于圖像邊界，尋求次優(yōu)的匹配代價來表示圖像邊界像素對應的匹配代價，對于圖像邊界像素P，假設次優(yōu)匹配代價對應的視差為d-，最優(yōu)匹配代價對應的視差為cT，用Ed-(p)表示邊界像素P對應的匹配代價，其中
7.根據(jù)權利要求6所述的三維建模方法,其特征在于,給定ー個任意的最終視差分布f，f(P)表示像素P對應的最終視差值，所述利用優(yōu)化的匹配代價構建能量方程，包括步驟: A)、根據(jù)匹配代價Ed(P)，構建數(shù)據(jù)項
【文檔編號】G06T17/00GK103440681SQ201310414655
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權日:2013年9月12日
【發(fā)明者】劉盛, 金海強, 陳勝勇, 張劍華, 毛小俊 申請人:浙江工業(yè)大學