一种融合条纹投影的偏振三维成像方法技术

本发明专利技术公开了一种融合条纹投影的偏振三维成像方法，包括：获取目标表面的偏振子图像；在目标表面建立微面元法向量数学模型并计算天顶角和方位角；利用投影仪向目标表面投射多幅具有连续相位变化的正弦光栅条纹图并利用相机同步进行采集，计算目标的绝对相位信息；通过标定相机和投影仪，利用绝对相位信息得到目标表面各点的点云数据，并根据点云数据计算各点的梯度信息；基于梯度信息与法向量数学模型确定方位角的理论范围区间；根据理论区间范围对方位角进行校正；基于天顶角和校正后的方位角重建目标的三维形貌。本发明专利技术通过校正方位角实现了目标三维形貌的准确重建，并且实现该方法所需装置的结构简单，有利于降低计算效率和成本。和成本。和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种融合条纹投影的偏振三维成像方法


[0001]本专利技术属于光学成像
，具体涉及一种融合条纹投影的偏振三维成像方法。

技术介绍

[0002]利用现代光电子技术作为探测手段具有高精度、非接触、抗干扰、高速度等鲁棒性，是目前光学成像领域发展的主要方向，正在向着智能化、自动化、微型化、多元化方向发展。传统的光电探测技术主要是获取目标场景中的光强度信息，即二维信息，并在其获取过程中伴随着目标场景中众多重要物理量信息的丢失。在获取强度信息后，一般还需要结合特征检测和匹配、目标提取与跟踪等方法手段，对不同场景下的信息进行解译，因此致使成像效果受限，物体三维形貌信息无法精确解译。三维成像技术作为感知真实三维世界重要信息的获取手段，能够提供二维图像无法获取的深度信息，为重建目标真实几何形貌及后续三维识别、检测等方面提供数据支撑和理论基础。基于条纹投影的结构光三维重建技术作为一种非接触式主动测量手段，通过将特定图案序列投射至待测目标表面，一定程度上可以认为是给待测目标表面添加稳定显著的特征点，拍摄经目标调制后的变形编码条纹图案，有利于从携带有目标表面三维形貌信息的图像中获取精确的三维轮廓数据。
[0003]偏振三维成像技术是利用光偏振特性恢复目标表面的一种被动式成像方法，基于菲涅耳原理仅需建立目标表面三维轮廓特征信息与表面出射光波偏振特性之间的映射关系，即可实现目标的三维重建，具有性价比高、信息获取方式简单等优势，为利用目标偏振特性进行高精度三维重建提供可能性。然而，该技术在对目标表面出射光偏振特性的解译过程中，由于法向量求解存在奇异性问题，导致积分重建结果存在畸变的现象。因此，解决奇异性问题成为了偏振三维成像技术的关键所在。
[0004]现有技术中存在一种结合Kinect深度传感器的偏振三维重建方法。主要是利用Kinect采集到的粗略深度作为先验信息，通过将从粗略深度图中获取到的表面法线与从偏振线索中获取到的法线进行关联，即将可见光偏振图像中可获得的高分辨率目标表面法线方向与相机获得的低分辨率深度信息融合，通过施加附加约束消除低频方位模糊问题，实现对法线图的校正以及深度图像的超分辨率信息融合，提升成像质量。但在实际应用中，该方法多使用了一个深度传感器导致系统结构更复杂，通常需要更高的计算性能。
[0005]可见，一方面传统的光电检测方法由于仅能获取目标二维信息，受限于探测器等原因，在获取目标信息的同时，也丢失了光场中如光谱、相位、偏振等这类重要信息，致使成像效果受限，易造成特征信息求取困难，无法精确解译物体三维形貌信息等问题。另一方面，在现有的基于多个传感器的重建方法中，由于需要进行传感器间特征匹配，计算量大，一定程度上导致系统结构更加复杂，计算时间较长，对重建结果和精度存在一定误差和影响。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种融合条纹投影的偏振三维成像方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术提供一种融合条纹投影的偏振三维成像方法，包括：
[0008]获取目标表面的偏振子图像；
[0009]在所述目标表面建立微面元法向量数学模型，利用所述偏振子图像计算偏振特性参数，所述偏振特性参数包括天顶角θ和方位角
[0010]利用投影仪向目标表面投射多幅具有连续相位变化的正弦光栅条纹图并利用相机同步进行采集，计算目标的绝对相位信息；
[0011]通过标定相机和投影仪，利用所述绝对相位信息得到所述目标表面各点的点云数据，并根据所述点云数据计算各点的梯度信息；
[0012]基于所述梯度信息与所述法向量数学模型确定方位角的理论范围区间；
[0013]根据所述理论区间范围对方位角进行校正；
[0014]基于天顶角θ和校正后的方位角利用积分重建算法对目标表面的法向量进行积分，重建目标的三维形貌。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，获取目标表面的偏振子图像的步骤，包括：
[0016]在室内环境下，利用积分球模拟自然光照明；
[0017]依次将相机镜头前的偏振片旋转至预设角度，并利用成像探测器采集目标表面的反射光，得到不同角度的偏振子图像；其中，所述预设角度包括0
°
、45
°
、90
°
和135
°
；
[0018]对所述不同角度下的偏振子图像进行目标背景分割。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，在所述目标表面建立微面元法向量数学模型，利用所述偏振子图像计算偏振特性参数的步骤，包括：
[0020]根据目标表面微面元的三维轮廓信息与目标表面法向量之间的映射关系，在所述目标表面建立微面元法向量数学模型并按照如下公式计算天顶角θ：
[0021][0022]式中，n表示目标表面的折射率，ρ表示利用Stockes矢量描述光波强度和偏振态的表示方法获得的偏振子图像的偏振度，θ位于之间；
[0023]按照如下公式计算所述偏振子图像的偏振相角φ：
[0024][0025]式中，I
max
、I
min
分别表示所述偏振片旋转一周获得的最大光强和最小光强，I表示偏振相角为φ时的光照强度，ξ表示所述偏振片透光轴与偏振片起始位置之间的夹角，φ位于0～2π之间；
[0026]利用所述偏振相角φ计算方位角
[0027]在本专利技术的一个实施例中，或
[0028]在本专利技术的一个实施例中，利用投影仪向目标表面投射多幅具有连续相位变化的正弦光栅条纹图并利用相机同步进行采集，计算目标的绝对相位信息的步骤，包括：
[0029]利用投影仪向所述目标表面透射多幅具有连续相位变化的正弦光栅条纹图并分别用相机进行同步，得到多幅图像；
[0030]基于所述多幅图像，采用时间相位展开算法中的多频外差方法进行相位展开，获得绝对相位信息。
[0031]在本专利技术的一个实施例中，所述法向量数学模型包括X轴、Y轴和Z轴，其中，X轴与Y轴垂直且位于所述各点的切平面内，Z轴与X轴、Y轴相交，Z轴与所述切平面垂直，所述梯度信息包括目标表面的法向量在X轴方向的梯度场信息p
sl
以及在Y轴方向的梯度场信息q
sl
；
[0032]基于所述梯度信息与所述法向量数学模型确定方位角的理论范围区间的步骤，包括：
[0033]基于先验的梯度信息和所述法向量数学模型，分别确定目标表面p
sl
的取值与方位角的取值关系以及q
sl
的取值与方位角的取值关系；
[0034]根据目标表面p
sl
的取值与方位角的取值关系以及q
sl
的取值与方位角的取值关系，确定目标表面方位角的理论范围区间。
[0035]在本专利技术的一个实施例中，根据所述理论区间范围对方位角进行校正的步骤之前，还包括：
[0036]判断所述方位角是否位于方位角的理论范围区间内。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合条纹投影的偏振三维成像方法，其特征在于，包括：获取目标表面的偏振子图像；在所述目标表面建立微面元法向量数学模型，利用所述偏振子图像计算偏振特性参数，所述偏振特性参数包括天顶角θ和方位角利用投影仪向目标表面投射多幅具有连续相位变化的正弦光栅条纹图并利用相机同步进行采集，计算目标的绝对相位信息；通过标定相机和投影仪，利用所述绝对相位信息得到所述目标表面各点的点云数据，并根据所述点云数据计算各点的梯度信息；基于所述梯度信息与所述法向量数学模型确定方位角的理论范围区间；根据所述理论区间范围对方位角进行校正；基于天顶角θ和校正后的方位角利用积分重建算法对目标表面的法向量进行积分，重建目标的三维形貌。2.根据权利要求1所述的融合条纹投影的偏振三维成像方法，其特征在于，获取目标表面的偏振子图像的步骤，包括：在室内环境下，利用积分球模拟自然光照明；依次将相机镜头前的偏振片旋转至预设角度，并利用成像探测器采集目标表面的反射光，得到不同角度的偏振子图像；其中，所述预设角度包括0
°
、45
°
、90
°
和135
°
；对所述不同角度下的偏振子图像进行目标背景分割。3.根据权利要求2所述的融合条纹投影的偏振三维成像方法，其特征在于，在所述目标表面建立微面元法向量数学模型，利用所述偏振子图像计算偏振特性参数的步骤，包括：根据目标表面微面元的三维轮廓信息与目标表面法向量之间的映射关系，在所述目标表面建立微面元法向量数学模型并按照如下公式计算天顶角θ：式中，n表示目标表面的折射率，ρ表示利用Stockes矢量描述光波强度和偏振态的表示方法获得的偏振子图像的偏振度，θ位于之间；按照如下公式计算所述偏振子图像的偏振相角φ：式中，I
max
、I
min
分别表示所述偏振片旋转一周获得的最大光强和最小光强，I表示偏振相角为φ时的光照强度，ξ表示所述偏振片...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩，戈淑雅，邵晓鹏，蔡玉栋，刘志强，宋家伟，武文欣，闫金轲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：