[发明专利]一种基于双目结构光的书页三维重建方法

说明书

本发明公开了一种基于双目结构光的书页三维重建方法，涉及机器视觉技术领域，本发明基于GPU实现的SIFT方法进行实时双目匹配得到三维点云后，建立空间直角坐标系，将点云投影至ZOX平面，使用分段拟合的方法自动标定书轴点，以书轴点等角度划分空间，使用直方图统计与波形分析的方法获得书页状态，根据出现与消失区域点云数的脉冲函数追踪书页数量，在有书页在最佳拍摄区被检测到时，给高清相机拍摄信号，捕获畸变相对最小的书页图像，本发明可以提供高速的、非接触的书页扫描方式，大大提高了扫描精度与效率，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，更具体的是涉及一种基于双目结构光的书页三维重建方法。

背景技术

双目视觉始于20世纪80年代，David Marr等人在多年研究的基础上，提出了一种新的计算机视觉理论框架，该理论框架解决了通过二维平面图像获得三维立体信息的问题；张正友(2000)提出了相机标定的一种灵活新方法，基于这种方法，出现了被广泛应用的双目相机标定方法。双目视觉技术经过不断的发展，现在已经广泛的应用在了测距、检测及三维重建等领域，起到了良好的效果，提升了工业自动化水平。但是在双目匹配算法上面，该技术还有很大的提升空间，如何更快更准确的对图像进行匹配，得到稠密的视差图和准确的三维坐标信息，仍是需要深入探讨和研究的问题。

使用结构光就是为了更快更准确的对图像进行匹配，得到稠密的视差图和准确的三维坐标信息。结构光编码方式分为时间编码、空间编码和直接编码，其中，时间编码又分有二值编码、n值编码、时间编码与相移法结合、混合编码；空间编码有非正式编码、DeBruijn序列编码、M-列阵编码；直接编码分为灰度直接编码和彩色直接编码。

Minou通过增加使用海明误差纠错码的方法来改善普通二值码的稳健性；Inokuchi用格雷码代替普通二值码，格雷码相邻码值之间的海明距离至多为1；在二值编码的条纹精确定位面,Trobina比较了几种条纹边界检测方法,认为通过投影正反两个图案寻找条纹边界交点的方法具有最佳子像素级定位精度；1998年，Valken-burg和Mclvor将图像分成17x17像素的图像子块,对每个图像子块进行多项式拟合或正弦函数拟合来精确定位条纹边界；1998年，Caspi提出了一个彩色n值编码方法.这种方法使用的是一个n值码值表,其中每种码值与一个特定的RGB颜色相对应，因而能够有效减少投影图案的数量,实现了对二值编码策略的泛化；Bergman首先提出格雷码与相移法相结合的方法,有效解决了周期信号二义性问题，同时得到较高的空间分辨率；1996年，Sato提出一种方法，在二值条纹图案的每一行插入一个尖锐的自相关脉冲，水平移动多次得到多个投影图像，然后计算每一行的最大自相关峰值,并根据三角法计算具有最大峰值像素的深度信息；2006年,Koninckx和Van Gool提出一种自适应编码方法,可随场景噪声程度和颜色等自动调节基图案中的条纹宽度、彩色条纹的宽度和密度，这种方法的缺点是计算复杂性较高,需要对场景的特征进行预测、加标签及追踪，当编码密度加大时解码困难；Monks和Carter使用基于6值3次DeBruijn序列来生成水平彩色条纹图案,不同颜色之间用黑色分隔；2007年,Albitar针对M-阵列方法中使用符号过多和彩色图案不适合彩色场景等缺点,提出了基于3个图形元素的单色编码图案，Albitar提出的图案码字之间的海明距离均大于3,平均海明距离为6.173,远大于一般的M-阵列方法，因而具有速度快,可靠性高等优点。

尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform，SIFT)是一种机器视觉的算法用来侦测与描述影像中的局部性特征，它在空间尺度中寻找极值点，并提取出其位置、尺度、旋转不变数，此算法由David Lowe在1999年所发表，2004年完善总结。SIFT特征是基于物体上的一些局部外观的兴趣点而与影像的大小和旋转无关，对于光线、噪声、拍摄视角改变的容忍度也相当高，基于这些特性，它们是高度显著而且相对容易撷取，在母数庞大的特征数据库中，很容易辨识物体而且鲜有误认，但SIFT算法一直以来都存在着计算代价昂贵的问题，Changchangwu在2011年发表了David Lowe的尺度不变特征变换的GPU实现，使得SIFT达到了实时的效果。