本发明专利技术涉及一种基于投影重构的单像素成像方法，可以实现全局照明干扰下场景快速三维重构。首先，通过投射和拍摄多频粗定位的傅里叶切片图案模式，对像素阵列上每个像素的观测区域进行粗定位；然后，利用投射器向场景投射细定位的傅里叶切片图案模式，采用相机拍摄得到对应的图像；再次，对相机图像上每个像素执行投影切片重构算法，获得每个像素多方向的切片投影图像；最后，根据投影立体匹配算法获得像素阵列上每个像素所对应的投射器坐标，获得基于投影重构的单像素成像结果图。相较于传统的三维测量方法，由于该方法对投射器全部分辨率进行解析，因此特别适用于全局照明干扰下三维立体匹配点的鲁棒获取。同时，相较于传统的单像素成像方法，由于仅采用了多方向一维投影切片，该方法又具有非常高的探测和解算效率。该方法又具有非常高的探测和解算效率。该方法又具有非常高的探测和解算效率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于投影重构的单像素成像方法
[0001]本专利技术涉及一种基于投影重构的单像素成像方法，可以实现全局照明干 扰下场景快速三维重构。本专利技术属于光学测量和计算成像领域。
技术介绍
[0002]光学三维测量技术由于其非接触、速度快、结构简单、精度高等特点， 已被广泛应用于工业自动化加工质量控制、文物古建数字化保护和人机交互 与计算机图形学等领域。结构光技术作为一种常见的光学三维测量技术，使 用投影仪投射结构光图案，通过相机拍摄经物体表面调制后的结构光图案， 对相机拍摄的图案进行解码，与投射图案进行匹配，再利用三角测量原理， 计算得到被测物的三维形貌。这种方法假设光传输过程中不存在全局分量或 其对结果的影响很小，即可认为从投影仪发出的光线经过被测物体的作用后 全部被相机直接捕获。然而在实际测量中，受被测物体表面形态或材质属性 的影响，上述假设经常不被满足，从而导致重构的结果出现数据缺失、精度 下降等问题。
[0003]近年来，国内外针对这一问题，解决的基本思路是对光传输过程中的全 局分量进行抑制，从而得到更为鲁棒的三维测量结果，适用的技术路线大体 可分为以下几个方向：首先是基于直接分量和全局分量对入射光源不同作用 的假设上发展出的抑制全局分量的方法，比较流行的技术是基于光传输过程 中全局分量对高频投射条纹具有模糊作用的前提下，利用高频载波技术使全 局照明光趋于直流分量的方法；基于全局分量一般会改变入射光偏振态的假 设下，提出在投影仪和相机前加装线性偏振镜的方法抑制全局分量。其次是 根据双目立体视觉中的极线约束抑制全局光照的影响，比较有代表性的技术 是通过在相机前加装掩模结构，并配合投影仪的投射模式在双目测量系统中 直接探测光传输过程中经过由对极平面所形成通路的光强度，从而抑制全局 分量。然而，现有的抑制全局光照分量的方法都在一定程度上对光传输过程 作出了假设，因此解决的方法不具有一般性，在某些特殊的情况下仍然会出 现测量失败的问题。因此，需要一种更为普适、高效的解决该问题的测量方 法，以应对现实场景中可能出现的各种情况。
技术实现思路
[0004]本专利技术提出一种基于投影重构的单像素成像方法，可以实现全局照明干 扰下场景快速三维重构。本专利技术基于结构光三维形貌测量系统，主要由一台 投影仪与一台相机组成，投影仪与相机组成一个双目立体视觉系统。图2为 本专利技术的系统图。
[0005]本专利技术的基本原理是在对像素阵列上每个像素的方向切片观测区域进 行粗定位的基础上，投射细定位的傅里叶切片图案模式，并对相机图像上所 有像素执行投影切片的重构算法，获得相机每个像素观测到的投射器视角下 方向切片投影函数，最后，根据投影立体匹配算法获得投影立体匹配点。
[0006]本专利技术的技术解决方案为：首先，通过投射和拍摄多频粗定位的傅里叶 切片图案模式，对像素阵列上每个像素的观测区域进行粗定位；然后，利用 投射器向场景投射细定
位的傅里叶切片图案模式，采用相机拍摄得到对应的 图像；其次，对相机图像上所有像素执行投影切片的重构算法，获得每个相 机像素下对应切片方向的投影图像；最后，根据投影立体匹配算法获得像素 阵列上每个像素所对应的投射器坐标。其测量过程主要包含以下步骤：
[0007](1)先将投射器和相机面向被成像场景放置，投射器的投射区域应与 相机视场有重合的区域；
[0008](2)通过投射和拍摄多频粗定位的傅里叶切片图案模式，对像素阵列 上每个像素的方向切片观测区域进行粗定位；
[0009](3)利用投射器向场景投射细定位的傅里叶切片图案模式，采用相机 拍摄得到对应的图像；
[0010](4)对相机图像上所有像素执行投影切片的重构算法，获得每个相机 像素下方向切片细定位投影函数；
[0011](5)根据投影立体匹配算法获得像素阵列上每个像素所对应的投射器 坐标；
[0012]所述步骤(2)中的多频粗定位的傅里叶切片图案模式的生成公式为：
[0013][0014]其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是 0≤m≤M
‑
1,0≤n≤N
‑
1，k代表粗定位图案模式中条纹的空间频率，取值为 k＝0,1...K，K为粗定位过程中所采用的频率数目，在实际测量中可根据具 体情况设置为不同值，φ代表正弦基图案模式中条纹的相位，取值分别为0, π/2,π,3/2π，构成四步相移图像模式，a是正弦基图案模式中条纹的平均亮 度，b是正弦基图案模式中条纹的幅值。M是投射器沿横方向的有效显示像 素个数，N是投射器沿纵方向的有效显示像素个数；θ为所计算方向切片与 投射器横方向的夹角，θ为所计算方向切片与投射器横方向的夹角，取值为 [0
°
,180
°
)范围内的任意不同的S个值，并称该切片为夹角为θ的方向切片，L
θ 为θ夹角的方向切片在投射器范围内的等效像素数目，计算公式为：
[0015][0016]其中，ceil为向上取整函数；
[0017]所述步骤(2)中的粗定位技术进一步包括如下步骤：
[0018]a.根据相机拍摄的四步相移横纵条纹图像，计算获得投射条纹频率所 对应的傅里叶系数，其余未投射频率进行补零操作，得到相机每个像素观测 到的投射器视角下夹角为θ的方向切片投影的所有一维傅里叶系数；
[0019]b.当获得了一维傅里叶变换域中的所有系数后，对变换域系数作一维 傅里叶逆变换，计算得到相机每个像素观测到的投射器视角下夹角为θ的方 向切片粗定位投影函数；
[0020]c.该投影函数中，值大于噪声阈值的区域即为对应像素可观测到的夹 角为θ的方向切片区域范围，取全部像素夹角为θ的方向切片区域范围最大 值为B
θ
，由其所确定的区
域称为有效区域；
[0021]所述步骤(3)中的细定位的傅里叶切片图案模式的生成公式为：
[0022][0023]其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是 0≤m≤M
‑
1,0≤n≤N
‑
1，M是投射器沿横方向的有效显示像素个数，N是 投射器沿纵方向的有效显示像素个数；k代表细定位图案模式中条纹的空间 频率，取值为k＝0,1...B
θ
‑
1，B
θ
为θ方向切片区域范围，φ为周期延拓的正弦 基图案模式中条纹的相位，取值分别为0,π/2,π,3/2π，构成四步相移图像模 式，a是周期延拓的正弦基图案模式中条纹的平均亮度，b是周期延拓的正 弦基图案模式中条纹的幅值；
[0024]所述步骤(4)中投影切片的重构算法进一步包括如下步骤：
[0025]a.根据相机拍摄不同频率的四步相移条纹图像，计算获得相机每个像 素下投影切片的一维傅里叶变换域系数；
[0026]b.当获取了傅里叶变换域的所有系数之后，对傅里叶变换域的系数作 一维傅里叶逆变换，计算得到相机每个像素对应的局部方向切片一维投影函 数，其分辨率本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于投影重构的单像素成像方法，其特征在于：测量过程包括以下步骤：(1)先将投射器和相机面向被成像场景放置，投射器的投射区域应与相机视场有重合的区域；(2)通过投射和拍摄多频粗定位的傅里叶切片图案模式，对像素阵列上每个像素的方向切片观测区域进行粗定位；(3)利用投射器向场景投射细定位的傅里叶切片图案模式，采用相机拍摄得到对应的图像；(4)对相机图像上所有像素执行投影切片的重构算法，获得每个相机像素下方向切片细定位投影函数；(5)根据投影立体匹配算法获得像素阵列上每个像素所对应的投射器坐标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的多频粗定位的傅里叶切片图案模式的生成公式为：其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是0≤m≤M
‑
1,0≤n≤N
‑
1，k代表粗定位图案模式中条纹的空间频率，取值为k＝0,1...K，K为粗定位过程中所采用的频率数目，在实际测量中可根据具体情况设置为不同值，φ代表正弦基图案模式中条纹的相位，取值分别为0,π/2,π,3/2π，构成四步相移图像模式，a是正弦基图案模式中条纹的平均亮度，b是正弦基图案模式中条纹的幅值，M是投射器沿横方向的有效显示像素个数，N是投射器沿纵方向的有效显示像素个数；θ为所计算方向切片与投射器横方向的夹角，取值为[0
°
,180
°
)范围内的任意不同的S个值，并称该切片为夹角为θ的方向切片，L
θ
为θ夹角的方向切片在投射器范围内的等效像素数目，计算公式为：其中，ceil为向上取整函数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的粗定位技术进一步包括如下步骤：a.根据相机拍摄的四步相移横纵条纹图像，计算获得投射条纹频率所对应的傅里叶系数，其余未投射频率进行补零操作，得到相机每个像素观测到的投射器视角下夹角为θ的方向切片投影的所有一维傅里叶系数；b.当获得了一维傅里叶变换域中的所有系数后，对变换域系数作一维傅里叶逆变换，计算得到相机每个像素观测到的投射器视角下夹角为θ的方向切片粗定位投影函数；c.该投影函数中，值大于噪声阈值的区域即为对应像素可观测到的夹角为θ的方向切片区域范围，取全部像素夹角为θ的方向切片区域范围最大值为B
θ
，由其所确定的区域称为有效区域。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的细定位的傅里叶切片图
案模式的生成公式为：其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是0≤m≤M
‑
1,0≤n≤N
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1，M是投射器沿横方向的有效显示像素个数，N是投射器沿纵方向的有效显示像素个数；k代表细定位图案模式中条纹的空间频率，取值为k＝0,1.....
【专利技术属性】
技术研发人员：姜宏志，李宇曦，赵慧洁，李旭东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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