专利名称：一种视觉测量中基于映射的相位匹配方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机视觉测量技术，尤其是一种视觉测量中基于映射的相位匹配方法，适用于面结构光三维重建系统中的三维重建和精密测量。
背景技术：
三维重建在国内、国外都取得一定进展，且在逆向工程领域应用普遍。目前，基于双目的面结构光重建技术应用较广，精度较高，能够满足高精度工业检测的需求，且已经产业化。基于正弦光的双目结构光重建系统的工作原理为通过投影仪投射经过编码的正弦光到物体表面，因物体表面凹凸不平而使结构光发生弯曲变形，通过左右两个摄像机拍摄得到变形图片，利用解相算法得到投射条纹的相位主值，然后对相位主值进行展开，得到绝对相位值；对两个摄像机分别得到的绝对相位值进行匹配，得到匹配点对，结合摄像机参数信息，利用摄像机模型，解得点对的三维信息，从而实现大尺度高密度的面形三维重建。基于双目的正弦结构光重建方法中最为关键的一步就是相位匹配算法。在双目结构光测量系统中，不同位置的摄像机在相同时间和条件下，对同一测量对象进行拍照，然后在图像空间中寻找同一测量对象表面物点在左右两幅图像中的对应像点，这个过程称之为匹配。匹配算法国内外均有研究，基本思想是基于相似性度量和连续性假设。目前在正弦结构光领域应用较多是基于外极线的相位灰度匹配算法。但这些方法应用在高分辨率的图片时，将会非�：氖保阅芗停也焕诶┱沟匠礁鲆陨系纳阆窕�。在实际的拍照测量过程中，由于相移误差，环境光影响，物体表面材质反光特性，摄像机镜头畸变失真，运动遮挡，阴影等各种因素，使得测量过程中的匹配成为困难且至关重要的一环。基于相关性的匹配方法是目前较为简单，且在硬件上也是易于实现的匹配方法， 但这种方法由于物体表面反光特性和环境光影响，灰度相关性在现实环境中存在诸多不确定因素，导致匹配精度较低，匹配数量较少。基于特征的匹配方法是根据图像中提取的特征信息，比如圆，直线，弧线，角点，不规则图案等进行匹配，这种匹配方法精度较高，但是只能匹配得到特征信息的三维数据。这些匹配方法中，大都通过增加约束条件，减小匹配范围来提高精度。比如利用外极线约束，相容性约束，唯一性约束，连续性假设，偏差梯度，多通道结构匹配等。比如S. B. Marapane等提出的MPH匹配算法，获得匹配正确率为85%左右。虽然目前各种匹配方法都获得较大进展，但目前得以最为广泛应用的匹配方法依然是基于外极线的匹配方法。此方法只需要在外极线上遍历即可找到对应的匹配点。但是这种方法需要计算对应像点的外极线方程，且要在外极线上进行遍历，需要花费时间较大， 特别是在大尺度图像上，匹配性能变得非常低，这也是目前基于光栅的重建方法C⑶分辨率一般都采用130万像素左右的原因之一。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种相位匹配方法，其具有简单、速度快、匹配精度高，适用于大尺寸物体、高分辨率摄像机，支持多目重建系统。本发明的使用条件为室内，避免环境光影响；室外，早晨或者傍晚无阳光照射的条件下也可使用，但精度会降低；对于被测物体表面材质无特殊要求，无强烈反光情况即可；不要求被测物体表面是几何连续的。这种视觉测量中基于映射关系的相位匹配方法，其特征在利用两台摄像机获取被摄对象的照片，并同时投射以同种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线到目标物上，通过利用计算机视觉测量技术中的三步相移法得到相对相位主值，利用解相线获得绝对相位值，利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的绝对相位值完成N :N的映射完成粗匹配，运用亚像素技术完成精细匹配。种视觉测量中基于映射的相位匹配方法，它的操作过程如下
1)选择一种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线进行投影，分别投影水平和竖起的条纹和解相线，
2)使用两个CCD摄像机进行拍照，两摄像机各拍得8张照片；
3)运用三步相移法对光栅图像进行解相，得到相对相位主值；
4)利用解相线对相位主值进行展开，得到绝对相位主值；
5)利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；
6)运用亚像素技术完成精细匹配。根据以上技术方案提出的这种基于映射关系的图像匹配方法，没有用到外极线约束条件，所以非常方便用于多目测量系统，很适于高分辨率摄像机，而且图像匹配与摄像机参数无关，也就是匹配精度不依赖于摄像机标定精度，因此匹配精度高速度快，适合于大尺寸物体的三维重建和精密测量。
图1为图像匹配点对间是一个N :N的关系示意图； 图2为绝对相位计算方法示意图3为本发明的相位匹配方法流程示意图； 图4为左相机拍照所得标准球光栅图片(竖直)； 图5为右相机拍照所得标准球光栅图片(竖直) 图6为左相机拍照所得标准球光栅图片(竖直)； 图7为右相机拍照所得标准球光栅图片(竖直)； 图8为左相机拍照所得标准球光栅图片(竖直)； 图9为右相机拍照所得标准球光栅图片(竖直)； 图10为左相机拍照所得竖直解相线图片； 图11为右相机拍照所得竖直解相线图片； 图12为左相机拍照所得标准球光栅图片(水平)； 图13为右相机拍照所得标准球光栅图片(水平)； 图14为左相机拍照所得标准球光栅图片(水平)； 图15为右相机拍照所得标准球光栅图片(水平)；图16为左相机拍照所得标准球光栅图片(水平)； 图17为右相机拍照所得标准球光栅图片(水平)； 图18为左相机拍照所得竖水平解相线图片； 图19为右相机拍照所得水平解相线图片； 图20为标准球三维图21为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图22为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图23为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图M为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图25为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图26为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图27为左相机拍照所得机械零件竖直解相线图片； 图观为右相机拍照所得机械零件竖直解相线图片； 图四为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图30为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图31为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图32为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图33为左相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图34为右相机拍照所得机械零件光栅图片(竖直)； 图35为左相机拍照所得机械零件水平解相线图片； 图36为右相机拍照所得机械零件水平解相线图片； 图37为机械零件三维图。
具体实施例方式本发明公开了一种基于映射关系的相位匹配方法，其特征在利用两台摄像机获取被摄对象的照片，并同时投射以同种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线到目标物上， 通过利用计算机视觉测量技术中的三步相移法得到相对相位主值，利用解相线获得绝对相位值，利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的绝对相位值完成N =N的映射完成粗匹配，运用亚像素技术完成精细匹配。它的操作过程如下
1)选择一种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线进行投影，分别投影水平和竖起的条纹和解相线，
2)使用两个CCD摄像机进行拍照，两摄像机各拍得8张照片；
3)运用三步相移法对光栅图像进行解相，得到相对相位主值；
4)利用解相线对相位主值进行展开，得到绝对相位主值；
5)利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；
6)运用亚像素技术完成精细匹配。本发明利用现有的相位解相技术，采用基于映射的相位匹配方法，可以大大提高
5相位匹配的性能，提高相位匹配的精度，并且可以扩展为多个摄像机，从而结决了高分辨率摄像机得到的大尺度图片进行相位匹配慢的问题，使高分辨率实时重建成为可能。本发明的使用条件为室内，避免环境光影响；室外，早晨或者傍晚无阳光照射的条件下也可使用，但精度会降低；对于被测物体表面材质无特殊要求，无强烈反光情况即可；不要求被测物体表面是几何连续的。本发明利用求得水平、竖直的绝对相位值，结合投影仪的标准相位，利用映射关系，把两个摄像机的绝对相位匹配起来。利用映射关系，根据一个方向的绝对相位值，可以确定摄像机图像中某个点的坐标(U、v)对应投影仪中的一条线对应投影仪中的一条线115或
者vP。如有竖直的绝对相位值可以在投影仪中确定一条竖直的相位线，即可得到其在投影仪中的相应横坐标
权利要求
1.一种基于映射关系的相位匹配方法，其特征在利用两台摄像机获取被摄对象的照片，并同时投射以同种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线到目标物上，通过利用计算机视觉测量技术中的三步相移法得到相对相位主值，利用解相线获得最终的绝对相位值，利用得到的最终绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的绝对相位值完成N =N的映射完成粗匹配，运用亚像素技术完成精细匹配。
2.如权利要求1所述的一种视觉测量中基于映射的相位匹配方法，其特征在于它的操作过程如下1)选择一种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线进行投影，分别投影水平和竖起的条纹和解相线，2)使用两个CCD摄像机进行拍照，两摄像机各拍得8张照片；运用三步相移法对光栅图像进行解相，得到相对相位主值；4)利用解相线对相位主值进行展开，得到最终的绝对相位主值；5)利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的相位主值完成N :N的映射，完成粗匹配；6)运用亚像素技术完成精细匹配。
全文摘要
一种基于映射关系的相位匹配方法，其特征在其特征在利用两台摄像机获取被摄对象的照片，并同时投射以同种频率的正弦条纹和相应的条纹解相线到目标物上，通过利用计算机视觉测量技术中的三步相移法得到相对相位主值，利用解相线获得最终的绝对相位值，利用得到的绝对相位主值和标准投射条纹的关系，把两个摄像机所得的绝对相位值完成NN的映射完成粗匹配，运用亚像素技术完成精细匹配。由于该方法没有用到外极线约束条件，所以非常方便用于多目测量系统，很适于高分辨率摄像机，而且图像匹配与摄像机参数无关，也就是匹配精度不依赖于摄像机标定精度，因此匹配精度高速度快，适合于大尺寸物体的三维重建和精密测量。
文档编号G01B11/25GK102269575SQ201110120899
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者张启航, 张迎果, 王治国 申请人:上海章旗柯维系统有限公司
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