本發(fā)明涉及三維成像
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于時(shí)域信息的單目拓?fù)淦ヅ涞娜S成像方法。
背景技術(shù)：
：距離選通三維成像是一種主動(dòng)照明的三維成像技術(shù)，可廣泛用于車輛自主導(dǎo)航和三維場(chǎng)景重建等領(lǐng)域。距離選通中的超分辨率三維成像利用回波展寬效應(yīng)構(gòu)造滿足特定幾何形狀的距離能量包絡(luò)，通過(guò)兩幅圖像反演獲得目標(biāo)的三維信息，具有實(shí)時(shí)性好、距離分辨率高、作用距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)距離能量包絡(luò)的幾何形狀可分為矩形距離能量包絡(luò)(LaurenzisM，ChristnacherF，MonninD.Long-rangethree-dimensionalactiveimagingwithsuperresolutiondepthmapping[J].OpticsLetters，2007，32(21)：3146-3148.)和三角形距離能量包絡(luò)(WangXinwei，LiYoufu，ZhouYan.Triangular-range-intensityprofilespatial-correlationmethodfor3Dsupper-resolutionrange-gatedimaging[J].AppliedOptics，2013，52(30)：7399-7046.)。但是，超分辨三維成像方法使用的兩幅圖像需滿足像素一一對(duì)應(yīng)，這要求采集圖像過(guò)程中需保持目標(biāo)與成像系統(tǒng)間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。如圖1所示，在動(dòng)平臺(tái)或動(dòng)目標(biāo)條件下采集的兩幅圖像中的目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)位置變化及畸變現(xiàn)象，兩幅圖像中目標(biāo)無(wú)法滿足像素一一對(duì)應(yīng)條件，導(dǎo)致在進(jìn)行超分辨率三維重建過(guò)程中，回波展寬效應(yīng)構(gòu)造的距離能量包絡(luò)無(wú)法作用在同一目標(biāo)位置處，求取錯(cuò)誤的目標(biāo)三維信息。因此，針對(duì)動(dòng)平臺(tái)或動(dòng)目標(biāo)條件下的超分辨率三維成像無(wú)法得到準(zhǔn)確的目標(biāo)三維信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維重建工作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ淙S成像方法。(二)技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ淙S成像方法，對(duì)目標(biāo)采集A、B幀圖像，其中A、B幀圖像中具有重疊的影像部分；對(duì)A、B幀圖像分別進(jìn)行特征點(diǎn)提取及特征描述；利用雙向特征匹配對(duì)A、B幀圖像進(jìn)行特征匹配得到特征點(diǎn)對(duì)；根據(jù)匹配得到的特征點(diǎn)對(duì)依次對(duì)A、B幀圖像構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對(duì)A、B幀圖像進(jìn)行拓?fù)淦ヅ?，?duì)B幀圖像進(jìn)行幾何修正，得到A、B幀圖像像素一一對(duì)應(yīng)的重疊區(qū)域；對(duì)A、B幀圖像的重疊區(qū)域進(jìn)行超分辨率三維重建，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)采用特征匹配及特征點(diǎn)構(gòu)建的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)圖像進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)單目時(shí)域信息不同的兩幅圖像的全局匹配，對(duì)匹配得到兩幅圖像進(jìn)行三維重建，獲得目標(biāo)三維圖像，對(duì)搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性要求不高，適用性好；(2)特征匹配采用雙向特征匹配方法，提高特征點(diǎn)對(duì)匹配魯棒性。附圖說(shuō)明圖1a為本發(fā)明實(shí)施例中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況下采集圖像的示意圖；圖1b為本發(fā)明實(shí)施例中動(dòng)目標(biāo)情況下采集圖像的示意圖；圖1c為圖1a或圖1b的情況下三維成像的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ淙S成像方法流程圖；圖3為圖2所示流程中特征點(diǎn)對(duì)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及拓?fù)渥訁^(qū)域匹配實(shí)現(xiàn)圖像匹配示意圖；圖4a為圖1b中采集的實(shí)物A、B幀灰度圖像；圖4b為圖1b中單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ淝昂蟮某直嫒S成像的三維圖像。【主要元件】1-成像系統(tǒng)；2-目標(biāo)；3-平臺(tái)。具體實(shí)施方式本發(fā)明某些實(shí)施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實(shí)施例將被示出。實(shí)際上，本發(fā)明的各種實(shí)施例可以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于此數(shù)所闡述的實(shí)施例；相對(duì)地，提供這些實(shí)施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明中圖像采集所用成像系統(tǒng)1搭載在平臺(tái)3上，主要由脈沖激光器、選通成像器件和時(shí)序控制器組成。其中脈沖激光器可以為半導(dǎo)體激光器、固體激光器等激光器，優(yōu)選半導(dǎo)體激光器，選通成像器件可以為ICCD、ICMOS等，優(yōu)選為ICCD。脈沖激光器發(fā)射激光脈沖，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明，形成反向傳播的回波信號(hào)，通過(guò)時(shí)序控制器控制脈沖激光器和選通成像器件，選擇合適的工作時(shí)序，利用選通成像器件采集回波信號(hào)，得到兩幀圖像，兩幀圖像中具有重疊的影像部分。在平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)2運(yùn)動(dòng)條件下，如圖1a和1b所示，目標(biāo)2與成像系統(tǒng)1間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)2位移，導(dǎo)致兩幀圖像間像素不一一對(duì)應(yīng)。針對(duì)兩幀圖像利用特征匹配及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配實(shí)現(xiàn)兩幅圖像全局匹配，得到像素一一對(duì)應(yīng)的兩幅圖像，進(jìn)而對(duì)兩幅圖像的重疊區(qū)域進(jìn)行超分辨率三維成像算法獲取目標(biāo)三維信息，實(shí)現(xiàn)三維重建，圖1c示出了在平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)2運(yùn)動(dòng)下三維成像的示意圖。具體的，如附圖2所示，針對(duì)平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)2運(yùn)動(dòng)條件下，本發(fā)明提供的單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ淙S成像方法具體為：步驟A：利用成像系統(tǒng)1采集A、B幀圖像；成像系統(tǒng)1中的脈沖激光器發(fā)射激光脈沖，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明，形成后向傳播的回波信號(hào)，通過(guò)時(shí)序控制器控制成像系統(tǒng)1中的脈沖激光器和選通成像器件，選擇合適的工作時(shí)序，利用選通成像器件采集回波信號(hào)，得到A、B幀圖像。步驟B：對(duì)A、B幀圖像分別進(jìn)行特征點(diǎn)提取及特征描述；首先，分別對(duì)A、B幀圖像提取特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的提取采用具有空間尺度不變性的surf(SpeededUpRobustFeatures)方法，該方法對(duì)光照變換和空間變換具有較強(qiáng)的魯棒性；欲進(jìn)行特征點(diǎn)的匹配，必須提取出特征點(diǎn)的特征向量并利用兩個(gè)向量的相似程度判斷兩個(gè)點(diǎn)是否為相互對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，特征向量用于對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行特征描述，利用特征向量的方向和模來(lái)確定特征點(diǎn)與鄰域的灰度梯度大小和方向。步驟C：利用雙向特征匹配對(duì)A、B幀圖像進(jìn)行特征匹配得到特征點(diǎn)對(duì)；采用特征向量的歐氏距離(EuclideanDistance)作為兩幅圖像特征點(diǎn)的相似性度量，進(jìn)行特征匹配，特征匹配優(yōu)選采用雙向匹配方法，可以得到魯棒性強(qiáng)的特征點(diǎn)對(duì)，雙向特征匹配方法為如下：步驟C1：以A幀圖像中的特征點(diǎn)作為基準(zhǔn)，尋找B幀圖像中與A幀圖像中的特征點(diǎn)匹配的特征點(diǎn)，得到A向B的特征點(diǎn)對(duì)；步驟C2：以B幀圖像中的特征點(diǎn)作為基準(zhǔn)，尋找A幀圖像中與B幀圖像中的特征點(diǎn)匹配的特征點(diǎn)，得到B向A的特征點(diǎn)對(duì)；步驟C3：對(duì)C1、C2中兩次單向匹配中的特征點(diǎn)對(duì)進(jìn)行篩選，提取公共特征點(diǎn)對(duì)作為最終的匹配特征點(diǎn)對(duì)，提高特征點(diǎn)對(duì)匹配魯棒性。步驟D：根據(jù)匹配得到的特征點(diǎn)對(duì)依次對(duì)A、B幀圖像構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖3給出了構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及拓?fù)淦ヅ涞氖疽鈭D，在A幀圖像中，以匹配得到的特征點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)，連接近鄰結(jié)點(diǎn)構(gòu)成三角形拓?fù)渥訁^(qū)域，對(duì)子區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，構(gòu)建整幅圖像的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浞指睿切瓮負(fù)渥訁^(qū)域構(gòu)建的原則如下：a：三角形區(qū)域內(nèi)無(wú)結(jié)點(diǎn)，b：三角形區(qū)域三條邊上無(wú)結(jié)點(diǎn)，c：三角形內(nèi)無(wú)其他三角形邊穿過(guò)。B幀圖像中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依據(jù)得到的匹配特征點(diǎn)對(duì)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系構(gòu)建與A圖中一一對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。步驟E：對(duì)A、B幀圖像進(jìn)行拓?fù)淦ヅ?，?duì)B幀圖像進(jìn)行幾何修正，得到A、B幀圖像像素一一對(duì)應(yīng)的重疊區(qū)域；構(gòu)建一一對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，對(duì)A、B幀圖像中目標(biāo)產(chǎn)生的位置變換和幾何變化進(jìn)行修正，按照拓?fù)渥訁^(qū)域的編號(hào)依次選擇兩幅圖像中一一對(duì)應(yīng)的拓?fù)渥訁^(qū)域，以A幀圖像為基準(zhǔn)，利用拓?fù)渥訁^(qū)域的三角形結(jié)構(gòu)對(duì)B幀圖像中對(duì)應(yīng)的拓?fù)渥訁^(qū)域進(jìn)行幾何變換，使得兩個(gè)子區(qū)域具有相同的幾何形狀及灰度分布，幾何變換過(guò)程中需增加或刪除部分像素點(diǎn)，其中增加的像素點(diǎn)灰度信息需滿足如下條件：a：增加的像素點(diǎn)的灰度信息參考鄰域像素灰度信息進(jìn)行插值，b：增加的像素點(diǎn)的灰度信息與其鄰域像素點(diǎn)的灰度信息關(guān)系與A幀圖中該對(duì)應(yīng)像素鄰域灰度信息變化關(guān)系一致。修正兩幅圖像拓?fù)渥訁^(qū)域的幾何形狀和灰度信息分布關(guān)系后，需保證對(duì)應(yīng)拓?fù)渥訁^(qū)域在兩幅圖像中具有相同的位置信息，這一步同樣以A幀圖像為基準(zhǔn)，依次將匹配后的B幀圖像拓?fù)渥訁^(qū)域按相應(yīng)A幀圖像子區(qū)域的位置信息進(jìn)行排放，得到拓?fù)渥訁^(qū)域位置信息一致的A、B兩幅圖像。通過(guò)以上處理，兩幅圖像實(shí)現(xiàn)全區(qū)域匹配，得到重疊區(qū)域像素的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。步驟F：對(duì)A、B幀圖像重疊區(qū)域進(jìn)行超分辨率三維重建，由公式(1)獲得目標(biāo)的三維圖像；最后對(duì)兩幅圖像的重疊區(qū)域利用三角形或梯形超分辨率三維成像算法獲取目標(biāo)三維信息。超分辨率三維成像是通過(guò)回波展寬效應(yīng)構(gòu)造滿足特定幾何形狀的距離能量包絡(luò)，通過(guò)兩幅空間交疊的切片圖像間的距離能量相關(guān)性建立像素灰度比與距離能量比的映射關(guān)系，利用三維反演算法獲取目標(biāo)距離信息，而后根據(jù)幾何透射投影理論便可反演獲得每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間單元的三維空間信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維重建。上述的獲得目標(biāo)三維距離后，根據(jù)幾何透射投影理論便可反演獲得每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間單元的三維空間信息為：Xi=xixi2+yj2+f2ri,jYj=yjxi2+yj2+f2ri,j(i∈[1,I],j∈[1,J])zij=fxi2+yj2+f2ri,j---(1)]]>公式(1)中，f為成像系統(tǒng)的焦距，該焦距可由成像鏡頭的出場(chǎng)參數(shù)獲得，xi和yj為選通圖像中第i行第j列像素在像平面坐標(biāo)系下的x軸和y軸像素坐標(biāo)，Xi、Yj和Zi，j為選通圖像中第i行第j列像素在攝像機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的空間單元的三維空間坐標(biāo)，ri，j為選通圖像中第i行第j列像素對(duì)應(yīng)的空間距離，I為總行數(shù)，J為總列數(shù)。步驟G：完畢，輸出目標(biāo)的三維圖像。為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，以下對(duì)圖2中所示的方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。圖4a為在動(dòng)平臺(tái)條件下利用圖像采集系統(tǒng)拍攝實(shí)物的A、B幀灰度圖，B幀圖像中目標(biāo)相對(duì)于A幀圖像中目標(biāo)位置角度發(fā)生變化。圖4b為拓?fù)淦ヅ淝昂驛、B幀圖像使用超分辨率三維成像得到的三維圖像，從圖中可以看出因像素不一一對(duì)應(yīng)，拓?fù)淦ヅ淝盁o(wú)法得到目標(biāo)有效三維信息；利用特征匹配、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配對(duì)A、B幀圖像進(jìn)行全局匹配后，獲得的重疊區(qū)域像素一一對(duì)應(yīng)，可得到目標(biāo)三維有效信息，目標(biāo)距離成像設(shè)備的距離為34m。從圖4a及圖4b中看出，利用單目時(shí)域拓?fù)淦ヅ涑上穹椒捎糜诳蓜?dòng)平臺(tái)或動(dòng)目標(biāo)的高分辨率三維成像工作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，盡管本發(fā)明實(shí)施例中步驟4、5以A幀圖像為基準(zhǔn)，對(duì)B幀圖像相應(yīng)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及進(jìn)行幾何變換，本發(fā)明同樣可以B幀圖像為基準(zhǔn)，對(duì)B幀圖像相應(yīng)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及進(jìn)行幾何變換。應(yīng)注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實(shí)大小和比例，而僅示意本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)容。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。并且上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3