本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種深度信息的測量方法，可以應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)學(xué)科學(xué)、人機交互、虛擬現(xiàn)實、現(xiàn)實增強以及3D打印場景。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的成像儀器采集到的信號僅是空間域上的二維信息，三維場景中的深度信息無法被采集到。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展以及人們生活水平的提升，二維信息已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)生活的需要。如何從場景中快速、高效的獲取三維深度信息已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。

深度獲取是指在三維場景中獲取物體的深度信息。目前深度獲取的方法主要分為主動式和被動式兩種。被動式方法一般基于一幅或多幅圖像來獲取物體的三維形狀信息，如立體視覺法、陰影測量法等，其中應(yīng)用最廣泛的就是立體視覺法，該方法采用多個相機多角度對同一場景進行拍攝，通過多幅圖像之間的匹配獲取深度信息。主動式方法則是利用光學(xué)投射器投射出探測波，經(jīng)物體反射后捕獲至傳感器，并利用計算機進行處理，從而獲得深度信息，常見的方法有飛行時間法、結(jié)構(gòu)光法、激光掃描法，其中結(jié)構(gòu)光測量方法作為一種非接觸式測量方法，該方法由于具有結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單、成本低廉、精度以及實時性較好、抗干擾能力強等特點，獲得了廣泛的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)光測量方法一般將一幅或多幅具有特定規(guī)律的結(jié)構(gòu)光模板投射到測量場景中，利用圖像采集設(shè)備拍攝待測物體，通過比對投射的模板及采集到的圖像，結(jié)合三角測距原理計算出物體表面的深度信息。結(jié)構(gòu)光測量方法根據(jù)模板的編碼方式可以分為時間編碼方法以及空間編碼方法，其中：

空間編碼的特點是只投射一幅模板，模板中每個像素點的編碼信息可以結(jié)合其鄰域獲取，空間編碼適用于動態(tài)場景的深度獲取，但由于空間編碼在解碼過程中可能受到鄰域信息的丟失、物體表面反射率不一致以及待測物體表面顏色等問題，易造成解碼錯誤導(dǎo)致深度信息計算錯誤，故空間編碼相對于時間編碼的分辨率、精度較低。

時間編碼，常見的有二值編碼、n值編碼、混合編碼等，這些方法具有簡單易于實現(xiàn)、空間分辨率高、測量精度高等優(yōu)點，但其由于需要投射多幅測量模板，測量時間較長，因而僅適用于靜態(tài)場景的深度測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述時間編碼技術(shù)的不足，提出一種基于單幀調(diào)制模板的深度信息測量方法，以縮短測量時間，實現(xiàn)場景深度信息的動態(tài)測量。

本發(fā)明的技術(shù)方法是：利用調(diào)制技術(shù)，將基于余弦編碼的模板和De Bruijn序列編碼的模板組合為單幀復(fù)合模板并進行投射；通過匹配投射模板以及變形的場景圖像，結(jié)合三角測距原理，獲得場景的深度信息，其實現(xiàn)步驟包括如下：

(1)設(shè)計單幀調(diào)制模板P：

(1a)設(shè)計基于余弦模板I₁和基于De Bruijn序列模板I₂；

(1b)設(shè)計頻率為f_c1的載波模板I_c1和頻率為f_c2的載波模板I_c2，并根據(jù)這兩個載波模板I_c1、I_c2和上述余弦模板I₁、De Bruijn序列模板I₂得到單幀調(diào)制模板P：

P＝I₁·I_c1+I₂·I_c2；

(1c)計算單幀調(diào)制模板P中各個像素點(x,y)的強度值I_p(x,y)為：

I_p(x,y)＝I₁(x,y)·I_c1(x,y)+I₂(x,y)·I_c2(x,y)，

其中I₁(x,y)、I₂(x,y)、I_c1(x,y)、I_c2(x,y)分別為余弦模板I₁、De Bruijn序列模板I₂以及載波模板I_c1、I_c2的強度值，且I₁(x,y)、I₂(x,y)中各個像素點強度沿著y方向變化，I_c1(x,y)、I_c2(x,y)中各個像素點強度沿著x方向變化；

(2)將系統(tǒng)中的投影儀T與攝像機V豎直放置，并使兩者光軸平行，用投影儀T將單幀調(diào)制模板P投影到目標(biāo)物體O上；并用攝像機V對該目標(biāo)物體進行拍攝，獲得經(jīng)過目標(biāo)物體O調(diào)制后的變形圖像I；

(3)將變形圖像I傳輸至計算機C，通過計算機C解調(diào)得到解調(diào)余弦模板I′₁以及解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂；

(4)用Gabor濾波器計算解調(diào)余弦模板I′₁中各個像素點(x,y)處的截斷相位

(5)根據(jù)解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂以及截斷相位求解變形圖像I中像素點(x,y)處的相位展開值Φ(x,y)；

(6)根據(jù)變形圖像I中像素點(x,y)的相位展開值Φ(x,y)，求取像素點(x,y)在單幀調(diào)制模板P中的匹配點(x_p,y_p)，其中x、y為變形圖像I中像素點的行列坐標(biāo)值，x_p、y_p為單幀調(diào)制模板P中像素點的行列坐標(biāo)值；

(7)根據(jù)三角測距原理，利用像素點(x,y)與匹配點(x_p,y_p)的空間幾何關(guān)系，計算待測物體的深度信息值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明采用單幀結(jié)構(gòu)光模板，僅需投射一幅模板即可獲得場景的深度信息，簡化了實現(xiàn)過程，降低了對系統(tǒng)設(shè)備的要求；

第二，本發(fā)明在條紋模板的基礎(chǔ)上，結(jié)合De Bruijn序列模板進行調(diào)制，使得相位解纏繞過程中可以利用De Bruijn序列獲取準(zhǔn)確的相位周期，提升了解纏繞的準(zhǔn)確度，避免了二義性的發(fā)生，增加了物體深度信息獲取的精度；

第三，本發(fā)明僅需投射單幀調(diào)制模板測量場景深度信息，通過使用GPU加速，可實現(xiàn)場景深度信息的動態(tài)測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明使用的系統(tǒng)框架圖；

圖2為本發(fā)明的實現(xiàn)總流程圖；

圖3為本發(fā)明中生成結(jié)構(gòu)光模板的子流程圖；

圖4為本發(fā)明中解調(diào)單幀調(diào)制模板的子流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法的改進，不需要增加額外的測量設(shè)備和測量步驟，以下參照附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。

參照圖1，本發(fā)明使用的深度信息獲取系統(tǒng)包括：待測量的目標(biāo)物體O、攝像機V、投影儀T和計算機C。投影儀T投射單幀調(diào)制模板P到目標(biāo)物體O上，攝像機V對該目標(biāo)進行拍攝，得到經(jīng)過目標(biāo)物體O調(diào)制后的變形圖像I。

參照圖2，本發(fā)明基于單幀調(diào)制模板的深度信息測量方法，其實現(xiàn)步驟如下：

步驟1、設(shè)計單幀調(diào)制模板P。

參照圖3，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(1a)設(shè)計基于余弦模板I₁和基于De Bruijn序列模板I₂；

(1b)設(shè)計頻率為f_c1的載波模板I_c1和頻率為f_c2的載波模板I_c2，并根據(jù)這兩個載波模板I_c1、I_c2和上述余弦模板I₁、De Bruijn序列模板I₂，得到單幀調(diào)制模板P：

P＝I₁·I_c1+I₂·I_c2；

(1c)計算單幀調(diào)制模板P中各個像素點(x,y)的強度值為：

I_p(x,y)＝I₁(x,y)·I_c1(x,y)+I₂(x,y)·I_c2(x,y)，

其中I₁(x,y)、I₂(x,y)分別為余弦模板I₁、De Bruijn序列模板I₂的強度值，I_c1(x,y)、I_c2(x,y)分別為載波模板I_c1、I_c2的強度值，且I₁(x,y)、I₂(x,y)中強度值沿著y方向變化，I_c1(x,y)、I_c2(x,y)中強度值沿著x方向變化。

步驟2、獲取變形圖像I。

將系統(tǒng)中的投影儀T與攝像機V豎直放置，并使兩者光軸平行，用投影儀T將所述的單幀復(fù)合模板P投影到目標(biāo)物體O上；并用攝像機V對該目標(biāo)物體進行拍攝，獲得經(jīng)過目標(biāo)物體O調(diào)制后的變形圖像I。

步驟3、將變形圖像I傳輸至計算機C，通過計算機C解調(diào)得到解調(diào)余弦模板I′₁以及解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂。

參照圖4，本步驟的具體實現(xiàn)方式如下：

(3a)對獲取的變形圖像I進行帶通濾波，提取出攜帶余弦模板的調(diào)制圖像其在像素點(x,y)處的強度值

其中I′₁(x,y)為余弦模板的強度值，為受到場景干擾的載波頻率；

(3b)對上述(3a)的結(jié)果進行平方運算，得到各個像素點(x,y)上的強度值為：

(3c)對(3b)的結(jié)果進行低通濾波后再進行開方運算，從變形圖像I中得到解調(diào)余弦模板I′₁；

(3d)對變形圖像I進行帶通濾波，提取出攜帶De Bruijn序列模板的調(diào)制圖像其在像素點(x,y)處的強度值

其中I′₂(x,y)為De Bruijn序列模板的強度值，為受到場景干擾的載波頻率；

(3e)對上述(3d)結(jié)果進行平方運算，得到各個像素點(x,y)上的強度值為：

(3f)對(3e)的結(jié)果進行低通濾波后再進行開方運算，從變形圖像I中得到解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂。

步驟4、用Gabor濾波器計算解調(diào)余弦模板I′₁中各個像素點(x,y)處的截斷相位

(4a)將解調(diào)余弦模板I′₁與高斯核進行卷積，得到卷積結(jié)果z(x,y)：

z(x,y)＝I′₁(x,y)*g(x,y,λ)，

其中，*代表卷積符號，g(x,y,λ)為高斯核，λ為高斯濾波器的波長，I′₁(x,y)為解調(diào)余弦模板I′₁的強度值；

(4b)根據(jù)卷積結(jié)果z(x,y)，計算截斷相位

其中，Im(z(x,y))為z(x,y)的復(fù)數(shù)部分，Re(z(x,y))為z(x,y)的實數(shù)部分，計算獲得的截斷相位被限制在[-π,π)中。

步驟5、根據(jù)解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂以及截斷相位求解變形圖像I中像素點(x,y)處的相位展開值Φ(x,y)。

(5a)對解調(diào)余弦模板I′₁進行連續(xù)區(qū)域劃分：

定義劃分區(qū)域函數(shù)

其中任一像素點的截斷相位值，為該像素點第i個方向鄰域上的截斷相位值，其中i＝1,2,…,8，

定義τ₁為第一鄰域門限，τ₂為第二鄰域門限，

將滿足如下條件的像素點及其鄰域劃分為同一區(qū)域：

其中為第n個方向鄰域上的截斷相位值，n＝3,7；為第m個鄰域上的截斷相位值,m＝1,2,4,5,6,8；

(5b)在連續(xù)區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上，對解調(diào)De Bruijn序列模板I′₂進行周期劃分，求解出解調(diào)De Bruijn序列模板碼值，獲得截斷相位周期n；

(5c)計算變形圖像I中像素點(x,y)的相位展開值Φ(x,y)：

其中為像素點(x,y)的截斷相位值，n為截斷相位周期。

步驟6、根據(jù)變形圖像I中像素點(x,y)的相位展開值Φ(x,y)，求取像素點(x,y)在單幀調(diào)制模板P中的匹配點(x_p,y_p)，其中x、y為變形圖像I中像素點的行列坐標(biāo)值，x_p、y_p為單幀調(diào)制模板P中像素點的行列坐標(biāo)值。

步驟7、根據(jù)三角測距原理，利用像素點(x,y)與匹配點(x_p,y_p)的空間幾何關(guān)系，計算待測物體的深度信息值。

(7a)以攝像機V的光心為原點建立世界坐標(biāo)系，其中世界坐標(biāo)系的x軸沿攝像機V成像平面的水平方向，世界坐標(biāo)系的y軸沿著攝像機V成像平面的豎直方向，世界坐標(biāo)系的z軸沿著攝像機V的光軸方向，且與成像平面垂直；

(7b)計算變形圖像I中的像素點(x,y)與匹配點(x_p,y_p)之間的視差Δ_y：

其中T為條紋的周期值，Φ(x,y)為相位展開值，y_p為匹配點的y方向坐標(biāo)值；

(7c)計算像素點(x,y)對應(yīng)的深度信息值d(x,y)：

其中Δ_y為視差，f表示為攝像機的焦距，b為攝像機和投影儀之間的基線距離。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體事例，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。