[发明专利]基于点结构光测距的单目视觉重建中尺度因子确定方法

说明书

基于点结构光测距的单目视觉重建中尺度因子确定方法，该方法包括光斑质心中心定位、空间直线拟合、RANSAC排异、求取光斑三维空间点坐标、尺度因子的求取。针对传统的基于图像序列的单目视觉三维重建方法大多只能实现射影尺度或仿射尺度下的三维重建，本发明提出一种利用点结构光作为辅助来实现单目视觉的欧氏三维重建方法,使得利用图像序列重建后的三维场景与现实世界场景的尺度保持一致。本发明的技术特征如下：(1)单目重建引入结构光主动视觉实现欧氏三维重建，(2)质心法光斑定位，(3)加入RANSAC剔除机制的激光器射线方程拟合，(4)反投影优化的光斑空间点定位，(5)单目重建各种方法的欧氏重建不受限制。

技术领域

本发明属于计算机视觉领域，涉及利用点结构光实现基于图像序列的欧氏三维重建的方法。

背景技术

视觉是人类最重要的感知手段,大约有80％的外界信息是通过眼睛被人接收的。正是因为视觉对人类的重要性,随着数字计算机的飞速发展,让计算机也具有视觉,能够处理视觉信息就成了一项非常诱人的研究课题。这样,就导致了计算机视觉这一学科的产生和发展。

计算机视觉的研究中一个很重要的部分就是对获得的动态图像序列进行分析处理,以得到有用信息。动态图像是针对运动的物体或景物而言的,他们不仅是空间位置的函数,而且是随时间变化的,它为我们提供了比单一图像更丰富的信息。在对某一景物拍摄到的图像序列中,相邻两帧图像间至少有一部分像素的灰度及色彩发生了变化,这个图像序列就称之为动态图像序列。

近年来随着计算机视觉领域研究的迅速发展，利用图像序列中的二维信息来恢复真实世界三维结构的问题也是其中热点问题和重要研究方向之一。不管国内还是国际上相关领域的研究人员针对这些问题已经提出了一些较为有效的解决方法。其中,基于图像序列的单目视觉三维重建方法以其重建约束限制条件少、重建所需预知的信息量少、适宜对大尺度场景进行重建的优点,成为了解决该问题的一类最主要的方法。在多视图几何中一个重要的理论模式就是层次理论，它定义了一个关于从真实场景到其重建模型的等级层次，层次理论涉及的变换主要有射影变换、仿射变换、相似变换和欧氏变换。然而,传统的基于图像序列的单目视觉三维重建方法大多只能实现射影尺度或仿射尺度下的三维重建,即重建后的结果与现实世界场景尺度相差一个尺度因子,这样就会限制其在现实中的应用。针对于此,本发明提出一种利用点结构光作为辅助来实现单目视觉的欧氏三维重建方法,使得利用图像序列重建后的三维场景与现实世界场景的尺度保持一致,并与此同时提高三维重建算法的鲁棒性和精确性。

根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式又可以分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式以及网格结构光模式等。单纯的利用单目视觉得到的三维场景无法达到欧氏三维场景真实重建效果，本发明利用点结构光和单目相机实现欧氏三维重建。激光器发出的光束投射到物体表面上产生一个光点，光点经摄像机的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个二维像点。摄像机的视线和光束线在空间中于光点处相交，并由其可以唯一确定光点在某一已知世界坐标系中的空间位置，进而求得空间尺度因子达到欧式三维重建的效果。

本发明通过设计以点结构光为辅助的单目立体视觉对真实场景实现真实尺度的欧氏三维重建。原理图如附图1所示。首先，固定靶标(8×11的黑白棋盘格)和激光器，将靶标放在相机视野范围内，拍摄一张图片(图中如靶标1位置所示)，然后打开激光器将激光打到靶标上再拍一张图片(图中如靶标2位置所示)，移动靶标重复多次上面的操作获得多幅图像(靶标3,4,5等)，对输入的图像进行预处理。然后，利用图像帧差法获取激光点光斑，利用质心法求取图像中光斑质心的坐标。根据靶标与图像之间的单应关系获得摄像机坐标系下所有光斑的空间点三维坐标，根据多个光斑空间点三维坐标拟合激光器投出的射线方程l1，最后，从相机光心发出的经过光斑质心的射线l2与激光器投出的射线的交点(由于误差存在，l1和l2会成为异面直线，实际应用中使用异面直线公垂线中点)即为真实的光斑空间三维点，这样即可求出尺度因子的大小。