基于單幀復合模板的物體深度信息獲取方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機視覺技術(shù)領域，主要涉及一種獲取物體的深度信息的方法，可 以用于工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)學科學、人機交互及3D打印場景。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的圖像成像儀器采集到的信號只是空間域上的二維信息，三維場景中的深度 信息沒有被采集到。隨著當今科學技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的二維信息已 經(jīng)不能滿足人們實際生活的需求。如何能夠從場景中快速、高效的獲取三維場景中的深度 信息已經(jīng)成為當前研宄的熱點。
[0003] 從實際場景的三維信息中獲取場景深度信息的過程叫做深度獲取。根據(jù)深度獲取 過程中是否需要對被測物體進行接觸式測量，可以把深度獲取方法分為接觸式測量和非接 觸式測量兩大類。
[0004] 接觸式測量通過接觸物體表面來得到深度信息，如坐標測量機。雖然接觸式測量 方法可以獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，但它對硬件要求高、速度慢。多數(shù)接觸式測量儀器體積 大，不便于使用，且直接接觸物體表面會對物體產(chǎn)生一定的損害。
[0005] 非接觸式測量不需要與目標物體接觸就能獲取目標物體的深度信息，如激光雷 達、光學成像測量等方法。由于非接觸式測量具有測量速度快，采樣點分辨率高等優(yōu)點，該 方法現(xiàn)已成為獲取深度信息的一個重要方法。
[0006] 根據(jù)測量過程中是否需要投射出探測信號，非接觸式測量方法又可分為被動式測 量方法和主動式測量方法兩大類。被動式測量方法是不需要投射探測信號，通過測量目標 物體表面反射的輻射波，如激光、可見光來進行深度測量。常見的被動式測量方法有立體視 覺法、陰影測量法、聚焦法、離焦法等。其中應用最為廣泛的立體視覺法是通過模擬生物的 視覺方式，在多個角度采用多個攝像機獲得被測物體多張數(shù)字圖像。然后根據(jù)特定采樣點 在多張圖像中像素點的匹配及采樣攝像機的空間位置關(guān)系，依據(jù)三角測量幾何原理，計算 出該特定采樣點的深度數(shù)值。雖然被動式測量方法操作簡便，容易實現(xiàn)，不需要額外光源， 但是該方法卻很難達到在多張數(shù)字圖像中特定采樣點的精確匹配。對于不存在明顯特征的 圖像，該方法計算量大，匹配精度低，繼而難以獲得高精確的深度測量結(jié)果。
[0007] 主動式測量方法需要投射額外的探測波到目標物體上，通過檢測目標物體反射回 波，計算探測物體的深度信息。常見的可投射的探測波有可見光、高能量光束、超聲波和X 射線等。主動式測量方法主要有激光掃描法、飛行時間法和結(jié)構(gòu)光法等。
[0008] 激光掃描法采用激光掃描儀，通過對物體進行逐點掃描，得到深度信息。雖然精 度較高，但是為得到高分辨率的深度數(shù)值，耗時較長；飛行時間法即time of flight，是新 興的三維成像技術(shù)之一，雖然它的測量速度快，但采集到的深度圖像分辨率較低，精度也不 尚。
[0009] 結(jié)構(gòu)光法可以利用簡單的設備，實現(xiàn)高精度、高可靠性的深度信息獲取。其原理 是，首先利用光學投射設備將特定的具有編碼規(guī)律的結(jié)構(gòu)光模板投射到被測物體表面，然 后利用圖像采集設備采集經(jīng)過目標物體表面調(diào)制后的圖像。通過比較投射模板和采集到的 圖像，得到圖像像素點的匹配關(guān)系，結(jié)合三角測距幾何原理計算出物體表面的深度信息。結(jié) 構(gòu)光法通過利用可控光源形成具有明顯紋理特征的信息，能降低深度測量中諸如目標物體 缺乏紋理、表面光滑等情況下進行匹配的難度。正是因為結(jié)構(gòu)光法具有實現(xiàn)簡單、測量速度 快、精度高等特點，該方法目前已得到廣泛應用。
[0010] 根據(jù)結(jié)構(gòu)光模板的編碼方式，結(jié)構(gòu)光法可分為空間編碼方式和時間編碼方式?？?間編碼方式，僅需投射單幀編碼圖像。將采集到的圖像進行解碼后，通過和編碼模板進行比 對，得到兩幅圖樣的匹配關(guān)系，結(jié)合三角測距原理，計算被測物體的深度信息。空間編碼方 式投射的圖案數(shù)目較少，適合動態(tài)場景的測量。但是圖像采集設備采集的圖像容易受空間 域內(nèi)特征點的影響，解碼困難，測量誤差較大。同時，空間編碼方式存在分辨率較低、易受物 體表面反射率不一致及表面顏色不一致等問題的影響。
[0011] 時間編碼方式需要向測量物體投射多幀不同的編碼模板，圖像采集設備相應地采 集經(jīng)過物體調(diào)制后的多幀編碼圖像。時間編碼方式通過對獲得的編碼圖像序列進行解碼， 結(jié)合三角測距原理，計算得到被測物體的深度信息。這種方式雖然具有易于實現(xiàn)、測量精度 高、空間分辨率高等優(yōu)點，但卻需要投射多幀模板，耗時較長，不適宜動態(tài)物體深度數(shù)據(jù)的 測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于針對上述時間編碼技術(shù)的不足，提出一種基于單幀復合模板的 物體株度?目息獲取方法，減小耗時，提尚物體株度?目息的獲取速度和精度。
[0013] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：將時間編碼方式中需要的多幀模板，經(jīng)過調(diào)制后得到 單幀復合模板。在不增加投影模板數(shù)量的情況下，僅投射單幀復合模板實現(xiàn)物體深度信息 的獲取。通過解調(diào)圖像采集設備采集得到的變形圖像，恢復得到多幀時間編碼圖像。計算 得到多幀時間編碼圖像和相應的時間編碼模板的匹配結(jié)果，根據(jù)三角測距幾何原理，最終 計算得到被測物體的深度信息。
[0014] 具體步驟包括如下：
[0015] (1)設計單幀復合模板P :
[0016] (Ia)設計兩幀周期互質(zhì)的方波模板^和I 2;
[0017] (Ib)將兩幀周期互質(zhì)的方波模板1和I2調(diào)制成單幀復合模板P，計算該單幀復合 模板P中各個像素點（X，y)的強度值：
[0018] P (x, y) = A (x, y) +I1^B1 (x, y) cos (2 π fcly)
[0019] +I2^B2 (x, y) cos (2 π fc2y)
[0020] 其中，A(x，y)為各個像素點的直流分量，B1 (x，y)為調(diào)制第一方波模板I亦余弦條 紋波在各個像素點上的幅值，I1為調(diào)制第一方波模板I i的余弦條紋波的載波頻率，B 2 (X，y) 為調(diào)制第二方波模板I2的余弦條紋波在各個像素點上的幅值，f。2為調(diào)制第二方波模板I 2 的余弦條紋波的載波頻率；
[0021] (2)將投影儀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 幀復合模板P投射到目標物體〇上；
[0022] (3)通過攝像機V拍攝單幀復合模板P經(jīng)過目標物體0調(diào)制后的變形圖像I，并傳 回至計算機C ;
[0023] (4)計算機C對攝像機V拍攝到的變形圖像I進行解調(diào)，得到編碼在變形圖像I中 的兩幀周期互質(zhì)的方波模板V (X'，y'）和I'2 (X'，y'），用Gabor濾波器分別計算這兩幀方 波模板中像素點（X'，y'）處的截斷相位仍《ν')和％(·^，/);
[0024] (5)根據(jù)這兩幀方波模板中像素點（X'，y'）處的截斷相位仍(X',/)和％〇',/),利 用互質(zhì)定理，求解變形圖像I中像素點（X'，y'）的截斷相位展開值Φ (X'，y'）；
[0025] (6)利用變形圖像I中像素點（X'，y'）的截斷相位展開值Φ (X'，y'），在單幀復合 模板P中，求取與變形圖像I中像素點（X'，y'）相匹配的像素點（X，y);
[0026] (7)以攝像機V光心為原點建立世界坐標系，世界坐標系的X軸沿攝像機成像平 面的水平方向，世界坐標系的y軸沿攝像機成像平面的豎直方向，世界坐標系的z軸與攝像 機成像平面垂直；根據(jù)三角測距原理，由變形圖像I中像素點（X'，y'）與在單幀復合模板P 中相匹配的像素點（x，y)的空間幾何關(guān)系，計算待測物體的深度信息值Zw:
【主權(quán)項】
1. 一種基于單幀復合模板的物體深度信息獲取方法，包括如下步驟： (1) 設計單幀復合模板P : (la) 設計兩幀周期互質(zhì)的方波模板IdP I 2;