本發(fā)明涉及三維信息獲取技術(shù)，特別涉及一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法。

背景技術(shù)：

三維信息獲取技術(shù)可以同時得到被測場景的三維坐標，在實物仿形、工業(yè)檢測、虛擬現(xiàn)實、機器視覺和智能交互等領(lǐng)域有著重要的實用意義和廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)三維信息獲取技術(shù)針對的被測場景是光學(xué)可視場景，基于攝影測量原理，利用被動三維傳感方法或主動三維傳感方法，獲取被測場景的三維坐標信息。但在實際工業(yè)檢測、火災(zāi)救援等環(huán)境中，被測場景多被遮擋或掩蓋，也即為光學(xué)不可視場景。傳統(tǒng)三維信息重建技術(shù)無法應(yīng)用在光學(xué)不可視場景中，得到此類被測場景的三維坐標信息。計算成像是一種間接成像技術(shù)，傳感器本身不旨在直接獲得被測場景光學(xué)透鏡成像的信息，而是獲得與被測場景關(guān)聯(lián)的相關(guān)信息，利用獲取的相關(guān)信息，通過關(guān)聯(lián)計算，可以得到被測場景的透鏡成像效果。傳統(tǒng)的計算成像可以實現(xiàn)光學(xué)不可視場景信息的提取，但是該方法僅能得到被測場景的二維信息，無法實現(xiàn)被測場景三維信息的獲取，而這也恰恰限制了計算成像在實際應(yīng)用中的推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在實現(xiàn)一種高精度、裝置簡單、突破遮擋或覆蓋的被測場景三維信息獲取方法。為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法，該方法結(jié)合計算成像技術(shù)和主動三維傳感方法，無需立體匹配等復(fù)雜運算。該方法包括投影結(jié)構(gòu)光條紋的生成、載波變形條紋的計算重建和被測場景三維坐標信息的獲取三個過程。

本發(fā)明所提方法可以由數(shù)字投影儀、攝像機和光學(xué)不可視場景實現(xiàn)，如附圖1所示，在本發(fā)明中，被測場景前放置靜止的毛玻璃以模擬光學(xué)不可視場景；數(shù)字投影儀與攝像機經(jīng)過精確同步，在獲取過程中，數(shù)字投影儀在被測場景表面投影結(jié)構(gòu)光條紋，攝像機同步獲取毛玻璃上的光強信息。

本發(fā)明利用數(shù)字投影儀投影多幀具有特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)光條紋，經(jīng)被測場景反射與毛玻璃散射，在已同步的攝像機上形成相應(yīng)的光強信息；結(jié)合傅里葉分析理論，重建變形條紋的傅里葉頻譜，進而得到變形條紋的空域表達形式；利用計算重建的變形條紋，基于主動三維傳感方法的原理，便可以高精度地獲取光學(xué)不可視場景的三維信息。本發(fā)明所提方法的流程如附圖2所示。

所述投影結(jié)構(gòu)光條紋的生成過程，根據(jù)預(yù)設(shè)的被測場景三維信息分辨率M×N，確定投影結(jié)構(gòu)光條紋的分辨率也為M×N，投影結(jié)構(gòu)光條紋用P(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)表示：

（1）

投影結(jié)構(gòu)光條紋為雙頻條紋，其中，為信號波，表示載波，且兩者分別滿足：

（2）

（3）

其中，x和y為投影結(jié)構(gòu)光條紋的像素坐標，x∈[0, M-1]的整數(shù)，y∈[0, N-1]的整數(shù)；f_x和f_y為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波在x軸方向和y軸方向的頻率分量，f_x∈[0, M-1]的整數(shù)，f_y∈[0, N-1]的整數(shù)；A為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波背景強度，B為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波對比度；和為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波在x軸方向和y軸方向的頻率分量，為確定的常量；A⁰為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波背景強度，B⁰為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波對比度；δ和δ⁰分別為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波和載波相位偏移量，分別在集合{0, π/2, π, 3π/2}中取值。本發(fā)明中生成的不同參數(shù)的投影結(jié)構(gòu)光條紋如圖3所示。

所述載波變形條紋的計算重建過程，利用數(shù)字投影儀在被測場景表面投影結(jié)構(gòu)光條紋，假設(shè)被測場景表面反射率為R(x, y)，則反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)可以表示為：

（4）

反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)經(jīng)過毛玻璃的散射作用，攝像機同步得到被測場景光強信息D(f_x, f_y, δ, δ⁰)，該光強信息可以用反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)的積分來表示：

（5）

其中，Ω是反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)的積分區(qū)域，在本發(fā)明中為毛玻璃在攝像機上成像的像素坐標區(qū)域。根據(jù)公式（1）-（5）可知：

（6）

假設(shè)投影結(jié)構(gòu)光條紋載波經(jīng)被測場景反射得到載波變形條紋C(x, y)，則載波變形條紋C(x, y)滿足：

（7）

根據(jù)傅里葉分析理論，由公式（7）可以得到：

（8）

其中，C(f_x, f_y)表示載波變形條紋C(x, y)的傅里葉頻譜，F(xiàn)FT(*)表示對*的傅里葉變換函數(shù)。

本發(fā)明中，當(dāng)投影結(jié)構(gòu)光條紋P(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)中f_x遍歷[0, M-1]的所有整數(shù)，f_y遍歷[0, N-1]的所有整數(shù)后，便可以得到完整的載波變形條紋傅里葉頻譜C(f_x, f_y)。由傅里葉逆變換性質(zhì)，可以重建投影結(jié)構(gòu)光條紋載波經(jīng)被測場景反射得到的載波變形條紋C(x, y)：

（9）

其中IFFT(*)表示對*的傅里葉逆變換函數(shù)。當(dāng)投影結(jié)構(gòu)光條紋載波的相位偏移量δ⁰取值為0，π/2，π和3π/2時，計算重建得到的載波變形條紋記為C₀(x, y)、C_π/2(x, y)、C_π(x, y)和C_3π/2(x, y)，如附圖4所示。

所述被測場景三維坐標信息的獲取過程，首先，利用計算重建的載波變形條紋C₀(x, y)、C_π/2(x, y)、C_π(x, y)和C_3π/2(x, y)，根據(jù)4步相移法，可以求得載波變形條紋的相位函數(shù)φ(x, y)：

（10）

然后，根據(jù)截斷相位動態(tài)規(guī)劃展開算法，將得到的相位函數(shù)φ(x, y)展開成為連續(xù)相位函數(shù)Φ(x, y)。在本發(fā)明中，被測場景的高度值H(x, y)與展開的連續(xù)相位函數(shù)Φ(x, y)成正比關(guān)系，可以表示為：

（11）

其中，K為比例因子，可以由系統(tǒng)標定得到。本發(fā)明可以得到被測場景的三維坐標信息，其與被測場景真實三維坐標信息的對比如附圖5所示。

本發(fā)明提出一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法，該方法結(jié)合計算成像技術(shù)和主動三維傳感方法，無需立體匹配等復(fù)雜運算，通過計算重建載波變形條紋的傅里葉頻譜，進而獲取被測場景的三維信息。該方法具有精度高、裝置簡單、突破遮擋或覆蓋等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對光學(xué)不可視場景的三維信息獲取。

附圖說明

附圖1為一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法的實現(xiàn)系統(tǒng)圖

附圖2為本發(fā)明所提方法的流程圖

附圖3為本發(fā)明中生成的不同參數(shù)的投影結(jié)構(gòu)光條紋

附圖4為本發(fā)明中計算重建得到的載波變形條紋

附圖5為被測場景（a）真實三維坐標信息與（b）本發(fā)明獲取三維坐標信息對比圖

上述附圖中的圖示標號為：

1數(shù)字投影儀，2攝像機，3毛玻璃，4被測場景。

應(yīng)該理解上述附圖只是示意性的，并沒有按比例繪制。

具體實施方式

下面詳細說明本發(fā)明的一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法的一個典型實施例，對本發(fā)明進行進一步的具體描述。有必要在此指出的是，以下實施例只用于本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提出一種基于計算成像的光學(xué)不可視場景三維信息獲取方法。該方法包括投影結(jié)構(gòu)光條紋的生成、載波變形條紋的計算重建和被測場景三維坐標信息的獲取三個過程。

本發(fā)明所提方法可以由數(shù)字投影儀、攝像機和光學(xué)不可視場景實現(xiàn)，如附圖1所示，在本實施例中，被測場景前放置靜止的毛玻璃以模擬光學(xué)不可視場景；數(shù)字投影儀與攝像機經(jīng)過精確同步，在獲取過程中，數(shù)字投影儀在被測場景表面投影結(jié)構(gòu)光條紋，攝像機同步獲取毛玻璃上的光強信息。

本實施例利用數(shù)字投影儀投影多幀具有特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)光條紋，經(jīng)被測場景反射與毛玻璃散射，在已同步的攝像機上形成相應(yīng)的光強信息；結(jié)合傅里葉分析理論，重建變形條紋的傅里葉頻譜，進而得到變形條紋的空域表達形式；利用計算重建的變形條紋，基于主動三維傳感方法的原理，便可以高精度地獲取光學(xué)不可視場景的三維信息。本實施例的流程如附圖2所示。

所述投影結(jié)構(gòu)光條紋的生成過程，根據(jù)預(yù)設(shè)的被測場景三維信息分辨率M×N = 500×500，確定投影結(jié)構(gòu)光條紋的分辨率也為M×N = 500×500，投影結(jié)構(gòu)光條紋用P(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)表示：

（1）

投影結(jié)構(gòu)光條紋為雙頻條紋，其中，為信號波，表示載波，且兩者分別滿足：

（2）

（3）

其中，x和y為投影結(jié)構(gòu)光條紋的像素坐標，x∈[0, 499]的整數(shù)，y∈[0, 499]的整數(shù)；f_x和f_y為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波在x軸方向和y軸方向的頻率分量，f_x∈[0, 499]的整數(shù)，f_y∈[0, 499]的整數(shù)；A為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波背景強度，B為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波對比度，在本實施例中，A = 127.5， B = 127.5；和為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波在x軸方向和y軸方向的頻率分量，為確定的常量，在本實施例中 = 200， = 0；A⁰為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波背景強度，B⁰為投影結(jié)構(gòu)光條紋載波對比度，在本實施例中，A⁰ = 127.5， B⁰ = 127.5；δ和δ⁰分別為投影結(jié)構(gòu)光條紋信號波和載波相位偏移量，分別在集合{0, π/2, π, 3π/2}中取值。本實施例中生成的不同參數(shù)的投影結(jié)構(gòu)光條紋如圖3所示。

所述載波變形條紋的計算重建過程，利用數(shù)字投影儀在被測場景表面投影結(jié)構(gòu)光條紋，假設(shè)被測場景表面反射率為R(x, y)，則反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)可以表示為：

（4）

反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)經(jīng)過毛玻璃的散射作用，攝像機同步得到被測場景光強信息D(f_x, f_y, δ, δ⁰)，該光強信息可以用反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)的積分來表示：

（5）

其中，Ω是反射條紋E(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)的積分區(qū)域，在本實施例中為毛玻璃在攝像機上成像的像素坐標區(qū)域。根據(jù)公式（1）-（5）可知：

（6）

假設(shè)投影結(jié)構(gòu)光條紋載波經(jīng)被測場景反射得到載波變形條紋C(x, y)，則載波變形條紋C(x, y)滿足：

（7）

根據(jù)傅里葉分析理論，由公式（7）可以得到：

（8）

其中，C(f_x, f_y)表示載波變形條紋C(x, y)的傅里葉頻譜，F(xiàn)FT(*)表示對*的傅里葉變換函數(shù)。

本實施例中，當(dāng)投影結(jié)構(gòu)光條紋P(x, y, f_x, f_y, δ, δ⁰)中f_x遍歷[0, 499]的所有整數(shù)，f_y遍歷[0, 499]的所有整數(shù)后，便可以得到完整的載波變形條紋傅里葉頻譜C(f_x, f_y)。由傅里葉逆變換性質(zhì)，可以重建投影結(jié)構(gòu)光條紋載波經(jīng)被測場景反射得到的載波變形條紋C(x, y)：

（9）

其中IFFT(*)表示對*的傅里葉逆變換函數(shù)。當(dāng)投影結(jié)構(gòu)光條紋載波的相位偏移量δ⁰取值為0，π/2，π和3π/2時，計算重建得到的載波變形條紋記為C₀(x, y)、C_π/2(x, y)、C_π(x, y)和C_3π/2(x, y)，如附圖4所示。

所述被測場景三維坐標信息的獲取過程，首先，利用計算重建的載波變形條紋C₀(x, y)、C_π/2(x, y)、C_π(x, y)和C_3π/2(x, y)，根據(jù)4步相移法，可以求得載波變形條紋的相位函數(shù)φ(x, y)：

（10）

然后，根據(jù)截斷相位動態(tài)規(guī)劃展開算法，將得到的相位函數(shù)φ(x, y)展開成為連續(xù)相位函數(shù)Φ(x, y)。在實施例中，被測場景的高度值H(x, y)與展開的連續(xù)相位函數(shù)Φ(x, y)成正比關(guān)系，可以表示為：

（11）

其中，K為比例因子，可以由系統(tǒng)標定得到。本實施例可以得到被測場景的三維坐標信息，其與被測場景真實三維坐標信息的對比如附圖5所示。