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雙目CCD結構光三維測量系統中的立體匹配研究

時間:2015-02-09 16:43:01來源:本站瀏覽次數:8492

  1 引 言

  在反向工程中,準確、快速、完備地獲取實物的三維幾何數據,即對物體的三維幾何形面進行三維離散數字化處理,是實現反求工程的重要步驟之一。常 見的物體三維幾何形狀測量方法基本可分為接觸式和非接觸式2大類,雙目CCD(電荷耦合器件Charge Coupled Devices)結構光測量技術作為非接觸式,是目前世界上光學測量的最先進技術之一,在反向工程中有著廣泛的應用。匹配是立體視覺中最復雜、最重要的環 節,近年有許多文獻提出恢復外極幾何基礎矩陣的算法,以實現兩張未標定圖像的匹配[1-2]??偨Y起來目前匹配方法可分為基于特征匹配、基于面積匹配和基于相位匹配。特征匹配主要以零交叉點和梯度為依據,受噪聲影響較小,但僅能獲得稀松的視差;面積匹配可以獲得稠密的視差,但主要依據為灰度連續性,受噪聲 影響較大,尤其是對交叉擺放的雙目CCD立體視覺系統,左右圖像灰度變化不一致,核線互不平行,誤匹配幾率增大;相位匹配一般是針對核線平行而言,雖然將 空間域轉化為時間域,可同樣存在鄰域奇異性。立體視覺用于物體三維測量時,為增大測量面積,減少遮擋,提高測量精度,常采用交叉擺放的雙目CCD立體視覺系統。在交叉CCD測量系統中,由于核線不平行,立體匹配更為困難。文中針對反向工程中三維測量的特點,對被測物體投射解相光柵和編碼光柵,用解相 光柵進行解相得到折疊在[-π,π]區間內的相主值,用結構光編碼方法進行相展開得到相位的周期,二者相加得到真實相位值,從而實現相同相位曲線的匹配, 再根據外極約束特性,實現交叉擺放的雙目CCD立體視覺系統像素級的立體匹配。

 2 結構光編碼、解碼及相位求解

  本文將結構光編碼引入相展開領域。用該方法進行相展開,使過程變得相對簡單,不依賴于路徑,不存在誤差的傳播,對噪聲的抗干擾能力強,與解相過程有機結合能夠得到準確的周期。

  2.1 基本原理

  編碼結構光如圖1所示,此處僅以3幅編碼結構光圖像為例。


  編碼結構光是具有不同節距的一系列二值光柵,將這3幅光柵投射在物體上,被測空間被劃分為8個區域。如果是n幅光柵,則被測空間劃分為2n個區 域。根據各個點在不同圖像中的亮度進行編碼,每個區域由一個3位二進制編碼表示,有光柵的部分記為“0”,無光柵的部分記為“1”。這個編碼是與該點所處 的周期相聯系的,因此可以由編碼與周期的對應關系得到被測物體上柵線的周期分布,從而基本完成相展開過程。編碼與周期的對應關系見圖2。根據被測空間的大 小以及對精度的要求,可以靈活調整投射編碼結構光的數目,也即調整周期的數目。


  編碼結構光是滿足一定條件的結構光,它滿足以下3個條件:

  (1)在被測空間內編碼必須是無二義性的,這樣才能保證沒有相同的相值出現。

  (2)相鄰兩個編碼間的Hamming距離為1。相鄰兩個編碼之間不同位的數目稱為Hamming距離。如果Hamming距離不為1,則在相鄰兩個編碼交界處容易產生較大的誤差。

  (3)編碼光柵系列中最小光柵節距要與用于解相的光柵節距相同。節距指的是一個周期所包含的像素點數,這樣才能將結構光編碼的方法有效地應用于相位展開,并與解相結果有機地結合在一起,保證最后得到相值的無重復性。

  2.2 相位求解

  相位求解是為了得到圖像上的所有點的相位,然后利用插值算法獲得相同相位點的曲線并進行標號。首先投射用于解相的光柵,經攝像機采集回計算機中進行解相,得到折疊在[-π,π]區間內的相主值。再投射一系列編碼光柵,這些二值光柵的黑白條紋在被測物體上形成明暗相間的灰度條紋,將這些灰度圖像分 別拍攝下來進行二值化處理,得到一系列經物體高度調制后畸變的編碼光柵圖像。由這些圖像進行相位展開的計算,得到柵線的初步周期分布,再經過一些調整即可 得到準確的周期分布。

  干涉長的光強分布可表示為:


  式中Id(x,y):干涉場直流光強分布

  Ia(x,y):干涉場交流光強分布

  φ(x,y):被測波面相位

  δ(t):兩干涉光路中的可變相位

  固定δ(t) =δ0,讀干涉圖中的條紋序號N(x,y),由此獲得被測波面的相位信息φ(x,y)=2πN(x,y)。其中條紋序號的測量不確定度只能做到0. 1,相位被測面的面形不確定度在0. 1~0. 05λ。對于給定的干涉場(x,y)處,Id,Ia,φ均未知,所以至少需要δ(t1),δ(t2),δ(t3)三幅干涉圖才能求解出φ(x,y) [4]。為了減小干涉測量不確定度,設法采集多幅相位變化干涉圖,然后利用數值算法解出精確的φ(x,y)。

 3 基于外極約束的對應點求解

  圖3是雙目CCD空間示意圖,稱為外極幾何(Epipolar Geometry)[5]??臻g任意一點P與左右透視中心Ol,Or構成一個平面,稱為外極平面(EpipolarPlane),外極平面與左右像面相交形成兩條外極線(Epipolar Line),也互稱共外極線。對于交叉擺放的雙目CCD,每一像面上的外極線都相交于一點el,er,即外極中心(Epipole)。由立體視覺理論可 知,左右像面上任意一對對應點必然在它們相應的外極線上。


  設左右攝像機坐標系分別為(xl,yl,zl)和(xr,yr,zr),其中Ol,Or為左右攝像機的透視中心。左右攝像機坐標系變換關系為:


  左攝像機透視中心Ol在右像面的投影點為右外極中心,同理右攝像機透視中心Or在左像面的投影點為左外極中心。左像面任意一點Pl在右像面的外極線為外極平面與左像面的交線,同理右像面任意一點Pr在左像面的外極線為外極平面與右像面的交線,并且所有的外極線過外 極中心,因此可根據左右攝像機坐標對應關系求解外極線方程。設左像面上斜率為kl,并過el點的直線,在右像面上的外極線斜率為kr,并過er的直線,推 導出kl到kr的變換關系和kr到kl的變換關系[6]:


  對于相位求解后的標號曲線圖像,可利用外極特性沿曲線尋找對應點。設左標號曲線圖像為參考圖像,右圖像為待匹配圖像,首先求出沿左圖像某標號曲 線的任一點Pl與左外極中心el連線的斜率kl,再求Pl右圖像外極線的斜率kr,由斜率kr和右外極中心er求出外極線,并求出其與相應標號曲線的交 點,即Pl的對應點。

 4 實驗與結論

  基于結構光編碼、解碼及相位求解的雙目CCD三維測量系統不但在理論上是可行的,而且在實際應用中已取得很好的效果。這種測量系統操作方便,可 以對不同大小尺寸的物件進行測量,精度可以達到0. 03 mm,而且測量速度也較快。使用這種測量系統進行測量主要有3個步驟: (1)對系統進行標定,獲得攝像機內外參數,建立攝像機坐標系與世界坐標系的關系; (2)對物件進行結構光投影測量,求解對應點,得到物體點的三維坐標。對于大型物件,要移動測量系統或物件,對物件進行分區域拼接測量; (3)數據處理,對測量得到的點云數據進行處理,最終得到物件的3D模型。

  在反向工程中,用本文所述方法對電話接線筒進行三維測量,以構造出它的三維CAD模型。首先對測量系統進行標定,求解攝像機內外參數,如建立攝 像機坐標系與世界坐標系的關系;然后利用投影儀投射編碼光柵和解相光柵于被測物體,實驗所用的是6幅編碼光柵,即64周期的柵線。圖4是編碼光柵的第1 幅,圖5是解相光柵,圖6是使用解相光柵得到的折疊在[-π,π]之間的相位主值。由相位主值和編碼光柵得到的周期就可以求出真實相位值,再利用外極約束,即可實現左右CCD圖像點的匹配。最后是數據的后處理工作,利用測得的數據點云在軟件Unigraph-ics18. 0中進行三維CAD造型,得到接線筒的三維重構圖,如圖7所示。實驗證明了該方法進行匹配的可行性和準確性。

 

  總之,這種基于結構光編碼、解碼、相位求解及外極約束相結合的方法實現了交叉擺放的雙目CCD系統的立體精確匹配,這種方法已用于反向工程中的物件測量,實驗證明該測量方法測量誤差小,測量時間短,匹配算法具有魯棒性。

 

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