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专利名称：多平面镜反折射系统的平面镜夹角测量方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的反折射成像系统，具体涉及一种未标定多平面镜反折射系统的平面镜夹角测量方法。
背景技术：
随着计算机视觉和摄影测量学的发展和应用，基于计算机视觉方法对场景进行测量已引起许多学者的关注和兴趣。这种方法具有很多优点(1).测量过程方便，测量结果客观；(2).所需要的硬件设备简单，成本低廉；(3).所获取的数字化信息可以反复使用，而不需要再回到原来的实际场景。在基于计算机视觉的测量方法中最为典型的一种是通过统一场景的两幅或多幅图像利用立体视觉的方法重建出场景的三维结构，从而测量出三维空间中任何亮点之间的距离。但是在获取多幅图像的过程中不同视点之间的标定和同步需要较多的工作，为了避免这些问题，利用平面镜的反折射性质的在单幅图像上一次获得多个视点的成像系统在近期获得了很多关注。K. Forbes,F. NicollsiG de Jager,and A· Voigt在Europ· Conf. Computer Vision 2006 的《Shape-fromsilhouette with two mirrors and an uncalibrated camera》禾口 Po-Hao Huang andShang-Hong Lai在IEEE International Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition 2006《Contour_based structure from reflection》都米用了平面镜设计了反折射成像系统，在单幅图像中直接一次获取了多个视点的同一场景的图像，进而可以对场景的进行几何测量、三维重建。在类似的系统中平面镜的夹角是一个重要的参数， 直接影响了测量和重建结果的准确性和稳定性。以前的方法均是在对单目摄像机进行标定后再进行计算平面镜间的夹角，这种方法的缺点是对单目摄像机的标定结果依赖较大。

发明内容
本发明旨在解决传统的多平面镜反折射成像系统中由于利用了多块平面镜而引起的平面镜间夹角测量困难的问题，进而提高单目摄像机的标定的精度，提高三维场景重建的准确性和系统的稳定性。本发明的原理为首先利用多平面镜和单目摄像机，搭建数据采集系统，调整真实单目摄像机的拍摄角度和光圈，对拍摄区域的物体进行数据采集。采用阈值法取得标志点， 应用区域填空法得到标志点的中心位置，对得到的标志点进行椭圆拟合，利用椭圆计算圆环点的位置，进而利用极限约束技术算得极点位置，利用极点和圆环点最终求得平面镜间夹角。本发明提供的技术方案如下方案1 一种多平面镜反折射系统的平面镜夹角测量方法，所述多平面镜反折射系统由两面平面镜组成，两平面镜镜面相对，俯视成V字摆放，其特征在于，包括如下步骤 (流程参见图1)
A.用单目摄像机对多平面镜反折射系统中的物体拍摄照片；B.在照片中获取标识点；C.计算圆环点和极点；D.根据拉盖尔定理，利用圆环点和极点计算两面平面镜的夹角。方案2 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤A的实现方法为a)把待测物体放置于所述多平面镜反折射系统中；b)用单目摄像机以俯视角度α拍摄照片，在同一张照片中同时获取至少5个视点的场景。方案3 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤B的实现方法为Bi.用获取的图像和背景图像相减，得到前景；Β2.利用阈值的方法获取标志点；Β3.用区域填空的方法得到标志点的中心位置。方案4 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤C中圆环点的计算方法为利用图像上5个不同视点的对应点拟合出一个椭圆，由多个标志点便可获得多个椭圆，这些椭圆在三维空间对应着互相平行的圆，在图像上这些不同的椭圆的公共的一对共轭复交点即为图像上的两个圆环点I，Jo方案5 作为方案4的一种优选实现，其特征在于，所述步骤C中极点的计算方法为不同的点和它们的反射成像点间的连线在图像上相交于一点，由于本系统的几何性质， 连接不同的点和它的反射成像点连线的交所对应的点即为极点，由此，根据获取的标志点计算得到两面平面镜对应的两个极点。方案6 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤D中实现方法为两面平面镜间夹角θ和两个极点(EnE2)和两个圆环点(I，J)的关系如下θ = ^-XniEhEι,I ,J )。方案7 作为方案2的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)中角度α的取值在30° 100°之间。方案8 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤A中，在获取照片之后，对单目摄像机进行内外参数标定，对背景进行建模，以便保证系统的实时性。本发明充分利用多平面镜间的反折射关系，解决了传统的多平面镜反折射成像系统中由于利用了多块平面镜而引起的平面镜间夹角测量困难的问题，进而提高了单目摄像机的标定的精度，从而提高了三维场景重建的准确性和系统的稳定性。


图1为本发明的系统流程图；图2为系统拍摄的数据样具体实施例方式为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细说明。由图1的系统流程图可以看出系统的整个处理过程由四个阶段组成数据预处理、标识点的获取、圆环点和极点的计算、镜面夹角的最终获得。1、数据预处理该阶段包括图像数据的采集——图2为数据样图，单目摄像机内外参数的标定，还有为了保证系统的实时性而进行的背景建模。由于本发明的硬件采集系统是由单目摄像机和多平面镜组成，故而不必考虑相机阵列中涉及的同步控制采集图像的问题，可以直接采集运动场景的数据。然后利用 X. Ying, K. Peng, R.Ren，H. Zha，“Geometric Properties of Multiple Reflections in Catadioptric Camera with TwoPlanar Mirrors，，，to appear in Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR* 10),San Francisco，CA，USA，June 13-18,2010方法，对单目摄像机进行内外参数标定，对背景进行建模，以便保证系统的实时性。2、标志点的跟踪和获取标志点的跟踪和获取的方法是首先用获取的图像序列和背景图像相减，得到前景；再利用阈值的方法获取标志点，再用区域填空的方法得到标志点的中心位置。本发明利用国际上流行的多高斯或单高斯分布对每一个像素进行建模，同时用获取的图像序列实时地更新背景图像。考虑到系统的实时性，背景建模已经在数据预处理阶段完成。具体做法如下本发明的光源系统采用主动发光的LED灯，将符合要求亮度的LED灯粘贴到测试物体上，对实验实的光照环境进行适当的布置，使之满足实验要求的光照条件。相机亮度调整到一定的亮度范围(低亮度)，相机拍摄到的场景图像中只显示标志点。这将大大降低标志点的检测难度。图像中需要检测的像素个数与标志点的个数成正比。鉴于以上原因，本发明采用简单的阈值法和区域生长算法来求取标志点的区域。经过实验验证该方法简单、有效、快速、实用，对相机的帧率影响较小。程序流程1)设定标志点的阈值。2)将超过阈值的点进行区域生长，生成不同的区域。3)求取每个区域的(X，y)坐标的均值作为标志点的中心位置。3、圆环点和极点的计算当取得标志点后，在图像上5个点可以唯一确定一个椭圆，从而利用图像上5个不同视点的对应点可以拟合出一个椭圆。这些椭圆在三维空间对应着互相平行的圆，在图像上这些不同的椭圆的公共的一对共轭复交点即为图像上的两个圆环点I，J。由于镜面反射的原因，每个点都会在平面镜中反射成像。不同的点和它们的反射成像点间的连线在图像上会相交于一点，由于本系统的几何性质，点和它的反射成像点连线的交所对应的为极点。这样两面平面镜对应着的两个极点可以直接由获取的标志点计算得到。4、平面镜夹角的计算在图像中获得圆环点和两面平面镜对应的极点后，利用拉盖尔定理，两面平面镜间夹角θ和两个极点E1, E2和两个圆环点I，J的关系如下
权利要求
1.一种多平面镜反折射系统的平面镜夹角测量方法，所述多平面镜反折射系统由两面平面镜组成，两平面镜镜面相对，俯视成V字摆放，其特征在于，包括如下步骤A.用单目摄像机对多平面镜反折射系统中的物体拍摄照片；B.在照片中获取标识点；C.计算圆环点和极点；D.根据拉盖尔定理，利用圆环点和极点计算两面平面镜的夹角。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A的实现方法为a)把待测物体放置于所述多平面镜反折射系统中；b)用单目摄像机以俯视角度α拍摄照片，在同一张照片中同时获取至少5个视点的场景
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B的实现方法为 Bi.用获取的图像和背景图像相减，得到前景；Β2.利用阈值的方法获取标志点；Β3.用区域填空的方法得到标志点的中心位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中圆环点的计算方法为利用图像上5个不同视点的对应点拟合出一个椭圆，由多个标志点便可获得多个椭圆，这些椭圆在三维空间对应着互相平行的圆，在图像上这些不同的椭圆的公共的一对共轭复交点即为图像上的两个圆环点I，J。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤C中极点的计算方法为连接不同的点和它的反射成像点连线的交所对应的点即为极点，由此，根据获取的标志点计算得到两面平面镜对应的两个极点。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中实现方法为两面平面镜间夹角θ和两个极点(EnE2)和两个圆环点(I，J)的关系如下θ = \-ΜΕι,Ει,Ι ,J )。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中角度α的取值在30° 100°之间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，在获取照片之后，对单目摄像机进行内外参数标定，对背景进行建模。
全文摘要
本发明提供了一种多平面镜反折射系统的平面镜夹角测量方法。本发明的技术方案为利用多平面镜和单目摄像机，搭建数据采集系统，调整真实摄像机的拍摄角度和光圈，对拍摄区域的物体进行数据采集；采用阈值法取得标志点，应用区域填空法得到标志点的中心位置，对得到的标志点进行椭圆拟合，利用椭圆计算圆环点的位置，进而利用极限约束技术算得极点位置，利用极点和圆环点最终求得平面镜间夹角。本发明解决了传统的多平面镜反折射成像系统中由于利用了多块平面镜而引起的平面镜间夹角测量困难的问题，进而提高了单目摄像机的标定的精度，从而提高了三维场景重建的准确性和系统的稳定性。
文档编号G01B11/26GK102226691SQ20111008220
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者任仁, 侯璐璐, 别怀伟, 孔菁, 彭琨, 杨李, 查红彬, 英向华 申请人:北京大学