以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維測量方法及系統的制作方法
【專利說明】以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維測量方法及系統 【技術領域】
[0001] 本發明屬于三維數字成像、三維重建及三維造型技術領域，尤其涉及一種以計算 激光散斑為紋理的立體視覺三維面形測量方法及系統。 【【背景技術】】
[0002] 三維形貌測量，其應用領域已涵蓋諸如工業檢測、文物保護、地理測繪、建筑建模、 逆向工程、醫學整型、電影動畫、體感娛樂、虛擬現實以及三維打印等領域。其中，主動光立 體視覺作為一種重要的三維測量方法，以其測量速度快、結構簡單、精度較高的特點，被大 量應用于科學研究與商業儀器中；其基本流程是：（1)標定出左右相機的坐標關系；（2)投 影結構光到被測物表面，形成特征紋理；（3)左、右相機同時各采集一幅圖像，得到左視圖 和右視圖；（4)匹配左、右視圖中相互對應的匹配點，并計算視差；（5)根據視差和左右相機 坐標關系，計算得到被測物的三維點云。 【
【發明內容】
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[0003] 上述主動光立體視覺三維測量方法的第（4)步的計算效果往往最為影響最終的 三維點云的準確性，而第（2)步所投射的特征紋理，對第（4)步的計算效果影響非常大；因 此理想的紋理應該是它的每一個局部的光亮度分布特征都是獨一無二的，即任意選取一個 觀察點，其周圍區域的紋理分布與自身之外的任意一個點周圍區域的紋理分布都不一樣， 這樣才能確保上述第（4)步所找到的匹配點完全正確。
[0004] 李美菊等提出了一種用市面上能買到的投影儀投影數字散斑到被測物體表面作 為紋理的雙目視覺系統的立體匹配方法（文獻：李美菊.投影數字散斑雙目視覺系統的立 體匹配[D].四川大學，2005)。該方法所述的"數字散斑"是這樣形成的：把一個屏幕分成 一定大小（該論文選用的是3X3個像素）的子圖像，每個子圖像都隨機選取一個像素，將 其灰度設定為255 (最亮），其余像素灰度設定為零。這種方法產生的散斑固然有一定的隨 機性，但不能保證任一區域紋理特征都具有唯一性。如果匹配窗口的大小為3X3個像素， 那么錯誤匹配的概率（簡稱"誤配率"）將高達1/9 ;當然隨著匹配窗口的增大，誤配率會下 降，但原則上難以完全消除誤配。
[0005] 杭州先臨三維科技股份有限公司提出了數字散斑投影和相位測量輪廓術相結合 的三維數字成像方法（參考文獻：周勁，趙曉波.數字散斑投影和相位測量輪廓術相結合 的三維數字成像方法[P].浙江：CN101608908, 2009-12-23)。該方法中使用投影機向被測 物投射"散斑圖案"以消除正弦條紋相位匹配的不確定性，該方法未指明散斑的形成方法及 具體參數。
[0006]Schaffer等人提出了 一種用Nd:YAG激光器作為相干光源，照射到散射屏，再 通過一個透鏡系統，將散射光投射到被測物的表面，形成激光散斑，從而進行立體視覺三 維成像的方法（參考文獻：SchafferM，GrosseM，KowarschikR.High-speedpattern projectionforthree-dimensionalshapemeasurementusinglaserspeckles[J]. Appliedoptics，2010, 49(18) :3622-3629)。該方法所述激光散斑是由激光束照射到粗糙 的物體表面，由該表面散射（透射或者反射）的光照射到觀察面而形成的光斑。由于觀察 面上的光強是由無數束散射光疊加而成，而任意一束散射光的位相都是隨機的，相干疊加 的結果使得觀察面上任意一處的光強都是隨機的。因此激光散斑理論上可以成為理想的雙 目視差三維測量紋理。為了獲得足夠的紋理亮度，他們選用的激光器功率達到200mW。該方 法的成本較高，裝置的體積較大，系統比較脆弱，不宜做成民用、低成本的商品化儀器。
[0007] 為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種采用低成本、高可靠性 的理想激光散斑圖投射方案，使被測物表面形成激光散斑紋理，完全避免了現有測量方法 中要么匹配點找錯或找不到、要么裝置的成本較高，難以普及推廣的問題，而且誤匹配的幾 率極低，對環境光干擾的對抗能力強，成像速度快，成本低，易于普及推廣的立體視覺三維 面形測量方法及系統。
[0008] 本發明解決現有技術問題所采用的技術方案為：
[0009] -種以計算激光散斑為紋理的立體視覺三維面形測量方法，包括：首先模擬激光 散斑的形成過程，并計算得到數字化的激光散斑圖，然后將該激光散斑圖輸出到菲林或照 相干板上，接著將菲林或照相干板上的激光散斑圖投射到被測物體的表面；最后采集被測 物體的左、右視圖，并在左、右視圖中找出被測物體表面所有相互對應的匹配點，且根據匹 配點的視差數據，重建得到被測物表面的三維點云。
[0010] 進一步地，所述"計算得到數字化的激光散斑圖"為模擬相干光被粗糙表面散射， 形成多束散射光，該多束散射光傳播到觀察面，相干疊加形成激光散斑圖，觀察面上各點的 光強數值是經數值計算得到的。
[0011] 進一步地，所述"數值計算"具體為：設從粗糙表面任意一點散射到觀察面點P的 光線的振幅均為1或為隨機數，則觀察面點P的光強公式為：
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[0015] 所述11/為從散射點（i，j)散射到觀察面點P的光線的位相，其公式為
[0016] 所知
為散射點S(Xl，y])到觀察面點P(u，v)的距離， 所述"hy"為散射點的相對高度，即某散射點高度對所有散射點平均高度的偏離量，所述Xl 和yj分別為序號為（i，j)散射點的坐標，
，當中 的和一^分別為散射面上mXn個間隔均勾的散射點中橫向和縱向相鄰散射點之間的 前.n 間隔，m、n取值為：
[0017]
[0018] 其中Z。是散射平面到觀察平面的距離，A是激光的波長，Lx為散射面的長度，Ly 為散射面的寬度，Lpx為接收平面的長度，Lpy為接收平面的寬度；各個散射點的高度是相互 獨立的隨機數，記為h(i，j);其數值用計算機的隨機數生成器生成，正負雙向取值，平均值 為〇,方均根值大于等于二分之一波長入；
[0019] 通過控制1^、1^、波長A以及散射面與觀察面間的距離Z。，可以改變散斑在x方向 與y方向的自相關長度1^和L。,，即散斑尺寸；它們之間的關系是：
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[0022] 進一步地，所述散斑的水平及垂直自相關長度1^和1^可根據被測物面形特征、測 量系統參數和匹配精度最優原則進行調整。
[0023] 進一步地，所述"采集被測物體的左、右視圖，并在左、右視圖中找出被測物體表面 所有相互對應的匹配點，且根據匹配點的視差數據，重建得到被測物表面的三維點云"，具 體為：首先根據左右圖像采集設備之間由旋轉矩陣R和平移向量T確定的相對位置，進行 左、右視圖行對齊；接著使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應的匹配點，直至左、右視圖 中所有相互對應的匹配點均被找出，從而得到左、右視圖間的視差圖；最后根據立體視覺三 維重建公式，對視差圖進行計算，得到三維點云數據，完成數字三維成像；該三維重建公式 為：
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[0025] 其中，（Up 是左、右視圖彳丁對齊后，左視圖上某點的坐標；d是該點與其在右視 圖上對應的匹配點之間的視差；Q矩陣，通過雙目立體視覺標定得到。
[0026] 進一步地，所述"使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應的匹配點"，具體為：在 行對齊后，使用SAD匹配算法，當SAD窗口大小為2m+l時，通過以下計算公式得到同一行中 SAD值最小處的點，即為匹配點的位置；
[0027]
[0028] 式中，（i，j)是左視圖中的一個點，d是該點與右視圖中對應的匹配點間的視差， 匕和PR分別是當前像素位置上的灰度值。
[0029] 進一步地，所述"使用匹配算法搜尋左、右視圖中相互對應的匹配點"中的"匹配 算法"為誤差平方和（SSD)匹配算法、歸一化交叉相關（NCC)匹配算法或零均值交叉相關 (ZNCC)匹配算法。
[0030] 進一步地，所述"將菲林或照相干板上的激光散斑圖投射到被測物體的表面"中所 采用的投射光是非相干單色光，同時采集被測物體的左、右視圖時通過窄帶濾光片阻止該 非相干單色光