本發(fā)明屬于光學(xué)三維數(shù)字成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法及裝置。

背景技術(shù)：

三目三維成像系統(tǒng)是一種非接觸式、全場(chǎng)測(cè)量的光學(xué)三維數(shù)字成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用投影裝置投影一組正弦光柵或準(zhǔn)正弦光柵到物體表面，采用成像裝置采集經(jīng)物體表面面形調(diào)制后的條紋圖，結(jié)合相移技術(shù)計(jì)算每一測(cè)量點(diǎn)的空間相位值，之后利用相位信息在兩個(gè)成像裝置的成像面上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)三角測(cè)量法計(jì)算得到物體表面的三維信息。三目三維成像系統(tǒng)由于其高成像密度、高成像速度、高測(cè)量精度和高測(cè)量普適性而得到廣泛應(yīng)用。

隨著三維成像和測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，縮短測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量精度成為目前主要的研究方向。三維成像和測(cè)量技術(shù)最為關(guān)鍵的步驟是對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配，為了縮短對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配時(shí)間，現(xiàn)有技術(shù)提出了一些匹配對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法，比較典型的有：1、利用灰度值或正交相位值在圖像面上全局搜索實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配；2、基于極線約束利用灰度值或單方向相位值實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配。第1種方法是每個(gè)有效點(diǎn)在整個(gè)圖像范圍內(nèi)找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，第2種方法是每個(gè)有效點(diǎn)沿極線查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)；現(xiàn)有技術(shù)提出的對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配法，在匹配過(guò)程中都需要使其中一個(gè)圖像面上的每一個(gè)有效點(diǎn)在另一個(gè)圖像面上進(jìn)行全局搜索或者沿著對(duì)應(yīng)的極線搜索，從而導(dǎo)致搜索范圍大、查找時(shí)間長(zhǎng)，直接影響到了三維成像過(guò)程中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法及裝置，旨在解決三維立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配過(guò)程中存在的搜索范圍大、查找時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題。

本發(fā)明提供了一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法，所述三維成像系統(tǒng)包括：第一成像裝置、投影裝置和第二成像裝置，所述第一成像裝置和所述第二成像裝置位于所述投影裝置的兩側(cè)，所述方法包括：

步驟S1，利用投影裝置投影光到被測(cè)物體表面，并利用第一成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第一相位分布圖；并利用第二成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第二相位分布圖；

所述第一相位分布圖所在的平面為第一成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面，所述第二相位分布圖所在的平面為第二成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面；

步驟S2，利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和預(yù)置的第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，用相位映射估計(jì)出被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟S3，將被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)重投影到所述第二相位分布圖所在的平面上，得到所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)在所述第二相位分布圖所在平面上相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)；

步驟S4，根據(jù)所述第一相位分布圖中的某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和預(yù)置的第二標(biāo)定數(shù)據(jù)確定第二相位分布圖所在平面上的極線的方程，在以所述某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的所述極線上，根據(jù)所述某個(gè)點(diǎn)的相位值查找出該點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配。

進(jìn)一步地，相位映射公式為：

其中，多項(xiàng)式系數(shù)a_i、b_i、c_i的值為所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，公式中為所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值，X、Y、Z為估計(jì)出的被測(cè)物體中每個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值；所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)包括：第一成像裝置和第二成像裝置的內(nèi)部固定參數(shù)，還包括旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T，所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T用于第一成像裝置坐標(biāo)系與第二成像裝置坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換計(jì)算。

進(jìn)一步地，所述步驟S2具體為：利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估計(jì)出被測(cè)物體在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值X、Y、Z。

進(jìn)一步地，所述步驟S3具體為：將估計(jì)出的被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)X,Y,Z利用所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T轉(zhuǎn)換到第二成像裝置坐標(biāo)系中，再經(jīng)計(jì)算得到與所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)具體公式為：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y(jié)_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r為估計(jì)出的被測(cè)物體在第二成像裝置坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中，所述極線的方程為：

ax+by+c＝0，

極線的三個(gè)參數(shù)由公式：計(jì)算；其中，[T]_X為平移矩陣T的反對(duì)稱矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，為第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其中，z_norl＝1；

所述步驟S4具體為：在以與第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線上，沿著所述極線查找和所述某個(gè)點(diǎn)的相位值最接近的點(diǎn)并沿所述極線插值求出該點(diǎn)的坐標(biāo)該點(diǎn)即為查找出的所述某個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中，該點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系中的Z軸方向的坐標(biāo)z_norr＝1；

所述某個(gè)點(diǎn)為第一相位分布圖中的坐標(biāo)為相位值為的點(diǎn)。

本發(fā)明還提供了一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的裝置，所述三維成像系統(tǒng)包括：第一成像裝置、投影裝置和第二成像裝置，所述第一成像裝置和所述第二成像裝置位于所述投影裝置的兩側(cè)，所述裝置包括：

相位信息獲取模塊，用于利用投影裝置投影光到被測(cè)物體表面，并利用第一成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第一相位分布圖；還用于利用第二成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第二相位分布圖；

所述第一相位分布圖所在的平面為第一成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面，所述第二相位分布圖所在的平面為第二成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面；

空間三維點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)模塊，用于利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和預(yù)置的第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，用相位映射估計(jì)出被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)；

參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲取模塊，用于將被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)重投影到所述第二相位分布圖所在的平面上，得到所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)在所述第二相位分布圖所在平面上相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)；

對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊，用于在以與第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線上，根據(jù)所述某個(gè)點(diǎn)的相位值查找出該點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配；

所述極線的極線方程為：根據(jù)所述第一相位分布圖中的某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和預(yù)置的第二標(biāo)定數(shù)據(jù)確定的第二相位分布圖所在平面上的極線方程。

進(jìn)一步地，相位映射公式為：

其中，多項(xiàng)式系數(shù)a_i、b_i、c_i的值為所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，公式中為所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值，X、Y、Z為估計(jì)出的被測(cè)物體中每個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值；所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)包括：第一成像裝置和第二成像裝置的內(nèi)部固定參數(shù)，還包括旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T，所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T用于第一成像裝置坐標(biāo)系與第二成像裝置坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換計(jì)算。

進(jìn)一步地，所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)模塊具體用于：利用所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值和所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估計(jì)出被測(cè)物體在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值X、Y、Z。

進(jìn)一步地，所述參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲取模塊具體用于：將估計(jì)出的被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)X,Y,Z利用所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換到第二成像裝置坐標(biāo)系中，再經(jīng)計(jì)算得到與所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)具體公式為：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y(jié)_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r為估計(jì)出的被測(cè)物體在第二成像裝置坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊中，所述極線方程為：

ax+by+c＝0，

極線的三個(gè)參數(shù)由公式：計(jì)算；其中，[T]_X為平移矩陣T的反對(duì)稱矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，為第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其中，z_norl＝1；

所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊具體用于：在以與第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線上，沿著所述極線查找和所述某個(gè)點(diǎn)的相位值最接近的點(diǎn)并沿極線插值求出該點(diǎn)的坐標(biāo)該點(diǎn)即為所查找出的所述某個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中，該點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系中的Z軸方向的坐標(biāo)z_norr＝1；

所述某個(gè)點(diǎn)為第一相位分布圖中的坐標(biāo)為相位值為的點(diǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明提供了一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法及裝置，在三維成像系統(tǒng)中，利用第一成像裝置采集并經(jīng)計(jì)算得到被測(cè)物的第一相位分布圖，并估計(jì)出被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)，將估計(jì)出的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)重投影到第二相位分布圖所在的平面上，得到參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)，結(jié)合該參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)和傳統(tǒng)的查找方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找。

本發(fā)明在該參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)，結(jié)合經(jīng)典的利用相位信息和極線約束兩個(gè)條件查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法進(jìn)行查找，極大地縮小了對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找的范圍，縮短了對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配；滿足高速、高精度、高普適性的三維數(shù)字成像和測(cè)量的要求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法的過(guò)程示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法的流程示意圖；

圖3-1是本發(fā)明實(shí)施例提供的左相機(jī)獲取的被測(cè)物體模型的左相機(jī)相位分布圖；

圖3-2是本發(fā)明實(shí)施例提供的右相機(jī)獲取的被測(cè)物體模型的右相機(jī)相位分布圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的由相位映射估計(jì)出的被測(cè)物體空間三維點(diǎn)坐標(biāo)形成的三維效果圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的，用所查找到的精確對(duì)應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算重建被測(cè)物的三維數(shù)字圖像；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的裝置的模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明在經(jīng)典的基于極線約束的相位亞像素找對(duì)應(yīng)點(diǎn)方法的基礎(chǔ)之上，引入相位映射法，進(jìn)而提出一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法及裝置。

下面具體介紹這種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法，結(jié)合圖1和圖2所示。所述方法基于所述三維成像系統(tǒng)，所述三維成像系統(tǒng)為三目結(jié)構(gòu)，包括：第一成像裝置、投影裝置和第二成像裝置，所述第一成像裝置和所述第二成像裝置位于所述投影裝置的兩側(cè)。本發(fā)明實(shí)施例提供的三維成像系統(tǒng)中，成像裝置為相機(jī)，投影裝置為投影儀，圖1中，相機(jī)位于所述投影儀1的左右兩邊，分別為左相機(jī)2和右相機(jī)3，被測(cè)物體置于左相機(jī)2和右相機(jī)3的視場(chǎng)和景深范圍內(nèi)；中間的投影儀1作為投影裝置投射正弦或準(zhǔn)正弦條紋光到被測(cè)物體表面，左相機(jī)2和右相機(jī)3作為成像裝置采集經(jīng)被測(cè)物體表面面形調(diào)制后的條紋圖。

在執(zhí)行這種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法之前，會(huì)對(duì)所述三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲取第一標(biāo)定數(shù)據(jù)和第二標(biāo)定數(shù)據(jù)，所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)用于代入相位映射公式中，從而估計(jì)出被測(cè)物體在第一成像裝置坐標(biāo)系下的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值X、Y、Z；所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)中的R、T用于將被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z轉(zhuǎn)換到第二成像裝置的坐標(biāo)系中，還用于計(jì)算極線方程中的參數(shù)a，b，c的值，所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)中的內(nèi)部固定參數(shù)用于去畸變。具體地，相位映射公式為：

其中，多項(xiàng)式系數(shù)a_i、b_i、c_i的值為所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)；標(biāo)定出多項(xiàng)式系數(shù)a_i、b_i、c_i的值以便于計(jì)算X、Y、Z的值，上述公式中，為所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值，X,Y,Z為估計(jì)出的被測(cè)物體中每個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值；所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)包括：第一成像裝置和第二成像裝置的內(nèi)部固定參數(shù)，還包括第一成像裝置與第二成像裝置位置的空間剛體變換：旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T，所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T用于第一成像裝置坐標(biāo)系與第二成像裝置坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換計(jì)算。

結(jié)合圖1和圖2所示，所述方法包括：

步驟S1，利用投影裝置投影光到被測(cè)物體表面，并利用第一成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第一相位分布圖；并利用第二成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第二相位分布圖。

具體地，所述第一相位分布圖所在的平面為第一成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面，所述第二相位分布圖所在的平面為第二成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面。

更具體地，本發(fā)明實(shí)施例中，第一成像裝置為左相機(jī)，第二成像裝置為右相機(jī)，第一成像裝置圖像平面為左相機(jī)圖像平面，第二成像裝置圖像平面為右相機(jī)圖像平面；第一相位分布圖和第一成像裝置圖像平面是在第一成像裝置坐標(biāo)系即左相機(jī)坐標(biāo)系下，第二相位分布圖和第二成像裝置圖像平面是在第二成像裝置坐標(biāo)系即右相機(jī)坐標(biāo)系下；本發(fā)明實(shí)施例中的第一相位分布圖上的點(diǎn)，是第一成像裝置圖像平面的點(diǎn)經(jīng)過(guò)去畸變運(yùn)算得到的，得到的點(diǎn)在第一成像裝置的歸一化平面上，所以第一相位分布圖上的點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)的z值為1；同理，本發(fā)明實(shí)施例中的第二相位分布圖上的點(diǎn)，也是第二成像裝置圖像平面的點(diǎn)經(jīng)過(guò)去畸變運(yùn)算得到的，得到的點(diǎn)在第二成像裝置的歸一化平面上，所以第二相位分布圖上的點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)的z值為1。

具體地，所述投影儀投射一系列正弦或準(zhǔn)正弦條紋光照射到被測(cè)物體表面，左相機(jī)和右相機(jī)同步采集被所述被測(cè)物體調(diào)制過(guò)的一系列條紋圖像后，利用左相機(jī)采集到的一系列條紋圖像通過(guò)解相位計(jì)算得到被測(cè)物體被相機(jī)采集到的每個(gè)點(diǎn)的相位值由所述相位值形成系統(tǒng)左相機(jī)的相位分布圖；同理，利用右相機(jī)采集到的一系列條紋圖像通過(guò)解相位計(jì)算得到被測(cè)物體被相機(jī)采集到的每個(gè)點(diǎn)的相位值由所述相位值形成系統(tǒng)左相機(jī)的相位分布圖，本發(fā)明實(shí)施例提供的左、右相機(jī)獲取的被測(cè)物體模型的左相機(jī)相位分布圖IL和右相機(jī)相位分布圖IR分別如圖3-1、3-2所示。

進(jìn)一步地，可以利用第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值通過(guò)相位映射估計(jì)得到所述每個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)坐標(biāo)；也可以利用第二相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值通過(guò)相位映射估計(jì)得到所述每個(gè)點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟S2，利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和預(yù)置的第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，用相位映射估計(jì)出被測(cè)物體在左相機(jī)坐標(biāo)系下的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)。

具體地，由圖1可知，在三維成像系統(tǒng)中可以利用左相機(jī)或右相機(jī)采集并經(jīng)計(jì)算得到的被測(cè)物體相位分布圖估計(jì)出被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)；若在此過(guò)程中是利用左相機(jī)對(duì)應(yīng)的左相機(jī)相位分布圖，那么估計(jì)出的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)則要投影到右相機(jī)對(duì)應(yīng)的右相機(jī)相位分布圖上作為參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)；若利用的是右相機(jī)對(duì)應(yīng)的右相機(jī)相位分布圖，則被投影相機(jī)則為左相機(jī)。在本發(fā)明實(shí)施例中，規(guī)定利用左相機(jī)采集并計(jì)算得到的左相機(jī)相位分布圖估計(jì)空間三維點(diǎn)坐標(biāo)；圖1中第一、第二相位分布圖所在的平面為左右相機(jī)的歸一化平面。

所述步驟S2具體為：利用左相機(jī)相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值和預(yù)置的第一標(biāo)定數(shù)據(jù)a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估計(jì)出被測(cè)物體在左相機(jī)坐標(biāo)系下的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值X、Y、Z；

根據(jù)上述每個(gè)點(diǎn)估計(jì)出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)，所有估計(jì)出的被測(cè)物體空間三維點(diǎn)可以擬合成一個(gè)被測(cè)物體的三維像的虛擬模型，如圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的被測(cè)物體模型通過(guò)相位映射，估計(jì)出的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)形成的被測(cè)物的三維效果圖。

步驟S3，將被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)重投影到所述第二相位分布圖所在的平面上，得到所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)在所述第二相位分布圖所在平面上相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

具體地，所述步驟S3中的重投影過(guò)程分為兩步：第一步，將估計(jì)的被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)轉(zhuǎn)換到第二成像裝置坐標(biāo)系中；第二步，將估計(jì)出的被測(cè)物體在第二成像裝置坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)投影到第二相位分布圖所在的平面。

所述步驟S3具體為：將估計(jì)出的被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)X,Y,Z利用所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T轉(zhuǎn)換到第二成像裝置坐標(biāo)系中，并結(jié)合與第二相位分布圖所在的平面的位置關(guān)系，將估計(jì)得到的空間坐標(biāo)點(diǎn)投影到右相機(jī)相位分布圖所在的平面，得到參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)；具體公式為：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y(jié)_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r為估計(jì)出的被測(cè)物體在第二成像裝置坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)坐標(biāo)，為與所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。

步驟S4，根據(jù)所述第一相位分布圖中的某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和預(yù)置的第二標(biāo)定數(shù)據(jù)確定第二相位分布圖所在平面上的極線的方程，在以所述某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的所述極線上，根據(jù)所述某個(gè)點(diǎn)的相位值查找出該點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配。

進(jìn)一步地，所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)與所述第一相位分布圖中的所述某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

上述步驟S4中，提到的所述極線方程為：

ax+by+c＝0，

極線的三個(gè)參數(shù)由公式：計(jì)算；其中，[T]_X為平移矩陣T的反對(duì)稱矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，為第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其中，z_norl＝1。

所述參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)與所述第一相位分布圖中的坐標(biāo)為相位值為的某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的查找并非與經(jīng)典的對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找方法一樣，在整個(gè)像平面上或沿整條極線查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，而是在參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)附近一個(gè)像素大小的范圍內(nèi)所包含的極線上查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，左相機(jī)相位分布圖所在的平面中某一點(diǎn)坐標(biāo)值為：相位值為：所找的對(duì)應(yīng)點(diǎn)：在右相機(jī)相位分布圖所在的平面由計(jì)算得到的極線上，其中，該點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系(即右相機(jī)坐標(biāo)系)中的Z軸方向的坐標(biāo)z_norr＝1；查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法為：在參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)附近一個(gè)像素大小的范圍內(nèi)所包含的極線上，沿著極線查找和相位最相近的點(diǎn)并沿極線插值出最相近點(diǎn)的坐標(biāo)。

本發(fā)明中，有了用相位映射估計(jì)被測(cè)物體空間三維坐標(biāo)并投影的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)只需要在參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)附近一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線段上搜索與相近的相位值，沿極線相位插值即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，極大得縮小了查找的范圍，縮短了查找時(shí)間；如圖5所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的對(duì)被測(cè)物體的模型用對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法重建的被測(cè)物的三維數(shù)字圖像。

本發(fā)明還提供了一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的裝置，其中，所述三維成像系統(tǒng)包括：第一成像裝置、投影裝置和第二成像裝置，所述第一成像裝置和所述第二成像裝置位于所述投影裝置的兩側(cè)，所述裝置如圖6所示，包括：相位信息獲取模塊1、空間三維點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)模塊2、參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲取模塊3和對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊4。

所述相位信息獲取模塊1，用于利用投影裝置投影光到被測(cè)物體表面，并利用第一成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第一相位分布圖；還用于利用第二成像裝置采集包含被測(cè)物體信息的圖像，根據(jù)所述圖像計(jì)算所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值得到由所述被測(cè)物體的每個(gè)點(diǎn)的相位值組成的第二相位分布圖；

所述第一相位分布圖所在的平面為第一成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面，所述第二相位分布圖所在的平面為第二成像裝置圖像平面去除鏡頭畸變之后得到的歸一化平面。

所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)模塊2，用于利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和預(yù)置的第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，用相位映射估計(jì)出被測(cè)物體的空間三維點(diǎn)坐標(biāo)；

相位映射公式為：

其中，多項(xiàng)式系數(shù)a_i、b_i、c_i的值為所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)，公式中為所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)的相位值，X、Y、Z為估計(jì)出的被測(cè)物體中每個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值。

所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)模塊2具體用于：利用所述第一相位分布圖中每個(gè)點(diǎn)的相位值和所述第一標(biāo)定數(shù)據(jù)a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估計(jì)出被測(cè)物體在第一成像裝置坐標(biāo)系下空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的值X、Y、Z。

所述參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲取模塊3，用于將被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)重投影到所述第二相位分布圖所在的平面上，得到所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)在所述第二相位分布圖所在平面上相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)；

所述參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲取模塊3具體用于：將估計(jì)出的被測(cè)物體的所述空間三維點(diǎn)坐標(biāo)X,Y,Z利用所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換到第二成像裝置坐標(biāo)系中，再經(jīng)計(jì)算得到與所述第一相位分布圖中的每個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)具體公式為：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y(jié)_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r為估計(jì)出的被測(cè)物體在第二成像裝置坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)坐標(biāo)。

所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊4，用于在以與第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線上，根據(jù)所述某個(gè)點(diǎn)的相位值查找出該點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配。

所述極線的極線方程為：根據(jù)所述第一相位分布圖中的某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和預(yù)置的第二標(biāo)定數(shù)據(jù)確定的第二相位分布圖所在平面上的極線方程。

所述第二標(biāo)定數(shù)據(jù)包括：第一成像裝置和第二成像裝置的內(nèi)部固定參數(shù)，還包括第一成像裝置與第二成像裝置之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T，所述旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矩陣T用于第一成像裝置坐標(biāo)系與第二成像裝置坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換計(jì)算。

所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊4中，所述極線方程為：

ax+by+c＝0，

極線的三個(gè)參數(shù)由公式：計(jì)算；其中，[T]_X為平移矩陣T的反對(duì)稱矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，為第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)在第一成像裝置坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其中，z_norl＝1。

所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配模塊4具體用于：在以與第一相位分布圖中某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心的一個(gè)像素大小范圍內(nèi)的極線上，沿著所述極線查找和所述某個(gè)點(diǎn)的相位值最接近的點(diǎn)并沿極線插值求出該點(diǎn)的坐標(biāo)該點(diǎn)即為所查找出的所述某個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中，該點(diǎn)在第二成像裝置坐標(biāo)系中的Z軸方向的坐標(biāo)z_norr＝1。

所述某個(gè)點(diǎn)為第一相位分布圖中的坐標(biāo)為相位值為的點(diǎn)。

在本發(fā)明中，三維成像最重要的是對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配，只有在兩個(gè)成像裝置找到特征相同的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，完成對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配才能在計(jì)算機(jī)上重建物體模型。目前比較經(jīng)典的對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配方法中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的查找均是在整個(gè)圖像平面或者整條極線上搜索，需要查找的點(diǎn)數(shù)量多，范圍廣。具體到本發(fā)明實(shí)施例中，相機(jī)的像素為1280X1024個(gè)，若有效點(diǎn)個(gè)數(shù)為n。分以下三種情況進(jìn)行討論：1、若每個(gè)有效點(diǎn)在整個(gè)圖像范圍內(nèi)找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，按照二叉樹算法計(jì)算需要查找次，總共需要查找次；2、若每個(gè)有效點(diǎn)沿極線查找，經(jīng)計(jì)算極線上有200-300個(gè)待查找點(diǎn)，按照二叉樹算法計(jì)算需要至少查找次，總共至少需要查找次；3、若按照本發(fā)明的方法，在參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)附近約一個(gè)像素范圍內(nèi)的極線上找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，那么總的查找次數(shù)最多為2n次。由此在算法上很直觀得體現(xiàn)出了本發(fā)明在三維成像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的優(yōu)勢(shì)，極大得減少了對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找的次數(shù)，節(jié)省了對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了三維成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的快速匹配。

本發(fā)明結(jié)合經(jīng)典的利用相位信息和極線約束兩個(gè)條件找對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法，創(chuàng)造一種相位映射輔助三維成像系統(tǒng)快速對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法，進(jìn)而提出一種高效、高速、高精度的三維成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的方法。該方法既繼承了三維成像系統(tǒng)的高精度的優(yōu)勢(shì)，又引入了相位映射估計(jì)被測(cè)物空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的方法，進(jìn)而得到參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)來(lái)縮小對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找的范圍，從而大幅度提升了三維成像和測(cè)量中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的速度。

上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是通過(guò)程序來(lái)控制相關(guān)的硬件完成，所述的程序可以在存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。