基于二值網(wǎng)格模板的結(jié)構(gòu)光動態(tài)場景深度獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及結(jié)構(gòu)光動態(tài)場景深度的獲取方 法，可用于三維重建或目標識別。
【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)成為當前研究的熱點。
[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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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?？臻g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(shè)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(shè)備相應(yīng)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)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提出一種基于二值網(wǎng)格模板的結(jié)構(gòu)光動 態(tài)場景深度獲取方法，以在不增加設(shè)備復雜性以及計算復雜性的情況下，避免顏色解碼錯 誤和匹配點定位不準確的問題，獲取高精度的動態(tài)場景深度值。
[0013] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0014] (1)設(shè)計由等間隔的豎直和水平方向的平行線組成的二值網(wǎng)格模板P ;
[0015] (2)通過投影儀T將二值網(wǎng)格模板P投射到三維場景中，使模板P被場景調(diào)制，得 到變形網(wǎng)格圖像U，并用攝像機C記錄該變形網(wǎng)格圖像；
[0016] (3)對變形網(wǎng)格圖像U進行線提取操作，得到橫線圖IH和豎線圖IV，以及所有網(wǎng) 格交點I的坐標（X i, Yi);
[0017] (4)根據(jù)變形網(wǎng)格圖像U中橫豎線的連接關(guān)系，得到這些交點I的拓撲坐標 (c, r)；
[0018] (5)根據(jù)每個交點I的的拓撲坐標（c，r)，計算交點I在模板中的匹配點坐標 (x P，yP);
[0019] (6)根據(jù)交點I在變形網(wǎng)格圖像U中的圖像坐標（X1, yi)和匹配點坐標（xp, yp)，利 用線面相交幾何關(guān)系，計算變形網(wǎng)格圖像U中每一點I對應(yīng)的深度值D。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明使用的網(wǎng)格模板圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明使用的系統(tǒng)示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明線提取使用的結(jié)構(gòu)單元SE ;
[0024] 圖5為本發(fā)明使用的線面相交三角原理圖；
[0025] 圖6為用本發(fā)明對彩色場景的深度測量結(jié)果圖；
[0026] 圖7為用本發(fā)明對動態(tài)變化的面部的深度測量結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明是對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光法空間編碼方式的動態(tài)場景深度獲取算法的改進，未增加 設(shè)備復雜性，提高了獲取復雜場景深度的魯棒性，增加了所獲取深度的精度。
[0028] 參照圖1，本發(fā)明基于二值網(wǎng)格模板的結(jié)構(gòu)光動態(tài)場景深度獲取方法，實現(xiàn)步驟如 下：
[0029] 步驟1，設(shè)計網(wǎng)格模板P。
[0030] 參展圖2,本實例設(shè)計的網(wǎng)格模板P由等間隔的豎直和水平方向的平行線組成，其 中相鄰平行線條的間隔為8像素，線寬為1像素。
[0031] 步驟2,投射網(wǎng)格模板P，獲取變形網(wǎng)格圖像U。
[0032] 參照圖3,將設(shè)計好的網(wǎng)格模板P經(jīng)投影儀T投射到三維場景中，由于場景中各點 的深度不同，使得網(wǎng)格模板P發(fā)生變形，產(chǎn)生變形圖像U，并用攝像機C對該變形圖像U進行 記錄。
[0033] 步驟3,對變形網(wǎng)格圖像U進行線提取操作，得到橫線圖IH和豎線圖IV。
[0034] (3a)將變形網(wǎng)格圖像U分成25X25大小的圖像塊，在每一個圖像塊中選取閾值 T，進行二值化操作，得到二值圖像B。閾值T利用Otsu法，按照如下步驟選取：
[0035] (3al)假設(shè)變形網(wǎng)格圖像U中的一個像素點pu的灰度值為V，遍歷T e [0, 255]的 所有整數(shù)作為閾值，統(tǒng)計U中的前景像素 FP的數(shù)量Ill，背景像素 BP的數(shù)量n2;
[0036]