[发明专利]一种基于投影重构的单像素成像方法

权利要求书

1.一种基于投影重构的单像素成像方法，其特征在于：测量过程包括以下步骤：

(1)先将投射器和相机面向被成像场景放置，投射器的投射区域应与相机视场有重合的区域；

(2)通过投射和拍摄多频粗定位的傅里叶切片图案模式，对像素阵列上每个像素的方向切片观测区域进行粗定位，多频粗定位的傅里叶切片图案模式的生成公式为：

其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是0≤m≤M-1,0≤n≤N-1，k代表粗定位图案模式中条纹的空间频率，取值为k＝0,1...K，K为粗定位过程中所采用的频率数目，在实际测量中可根据具体情况设置为不同值，φ代表正弦基图案模式中条纹的相位，取值分别为0,π/2,π,3/2π，构成四步相移图像模式，a是正弦基图案模式中条纹的平均亮度，b是正弦基图案模式中条纹的幅值，M是投射器沿横方向的有效显示像素个数，N是投射器沿纵方向的有效显示像素个数；θ为所计算方向切片与投射器横方向的夹角，取值为[0°,180°)范围内的任意不同的S个值，L_θ为θ夹角的方向切片在投射器范围内的等效像素数目，计算公式为：

其中，ceil为向上取整函数；

方向切片可采用单方向、双方向、三方向和四方向的投射模式，各投射模式下夹角θ的具体取值为：

a.单方向投射模式下夹角θ的取值为：θ＝0°；

b.双方向投射模式下夹角θ的取值为：θ＝0°,90°；

c.三方向投射模式下夹角θ的取值为：θ＝0°,60°,120°；

d.四方向投射模式下夹角θ的取值为：θ＝0°,45°,90°,135°；

(3)利用投射器向场景投射细定位的傅里叶切片图案模式，采用相机拍摄得到对应的图像，细定位的傅里叶切片图案模式的生成公式为：

其中，(m,n)代表投射器平面坐标系上一点，取值范围是0≤m≤M-1,0≤n≤N-1，M是投射器沿横方向的有效显示像素个数，N是投射器沿纵方向的有效显示像素个数；k代表细定位图案模式中条纹的空间频率，取值为k＝0,1...B_θ-1，B_θ为θ方向切片区域范围，θ为所计算方向切片与投射器横方向的夹角，φ为周期延拓的正弦基图案模式中条纹的相位，取值分别为0,π/2,π,3/2π，构成四步相移图像模式，a是周期延拓的正弦基图案模式中条纹的平均亮度，b是周期延拓的正弦基图案模式中条纹的幅值；

(4)对相机图像上所有像素执行投影切片的重构算法，获得每个相机像素下方向切片细定位投影函数；

(5)根据投影立体匹配算法获得像素阵列上每个像素所对应的投射器坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的粗定位技术进一步包括如下步骤：

a.根据相机拍摄的四步相移横纵条纹图像，计算获得投射条纹频率所对应的傅里叶系数，其余未投射频率进行补零操作，得到相机每个像素观测到的投射器视角下夹角为θ的方向切片投影的所有一维傅里叶系数；

b.当获得了一维傅里叶变换域中的所有系数后，对变换域系数作一维傅里叶逆变换，计算得到相机每个像素观测到的投射器视角下夹角为θ的方向切片粗定位投影函数；

c.该投影函数中，值大于噪声阈值的区域即为对应像素可观测到的夹角为θ的方向切片区域范围，取全部像素夹角为θ的方向切片区域范围最大值为B_θ，由其所确定的区域称为有效区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的投影切片重构算法进一步包括如下步骤：

a.根据相机拍摄不同频率的四步相移条纹图像，计算获得相机每个像素下投影切片的一维傅里叶变换域系数；

b.当获取了傅里叶变换域的所有系数之后，对傅里叶变换域的系数作一维傅里叶逆变换，计算得到相机每个像素对应的局部方向切片一维投影函数，其分辨率为B_θ；

c.将每个像素对应的局部方向切片一维投影函数经周期延拓变为与夹角为θ的方向切片下投射器范围内的等效像素数目L_θ分辨率一致的周期一维投影函数；

d.根据步骤(2)的粗定位结果，将重构得到的周期一维投影函数的有效区域保留，其他区域置零，得到对应像素在夹角为θ的方向切片细定位投影函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的投影立体匹配算法进一步包括如下步骤：

a.对每条夹角为θ的方向切片细定位投影函数进行求取局部极大值操作；

b.根据每一个局部极大值的坐标位置计算一条垂直于夹角为θ的方向切片的直线方程，并称该直线方程为由对应局部极大值坐标确定的特征直线方程；

c.从每条夹角θ的方向切片下的细定位投影函数中均任意选择一根特征直线方程，由这些特征直线方程所确定的交点则为一个投影立体匹配候选点；

d.遍历全部特征直线方程的组合方式后，得到全部的投影立体匹配候选点，再根据双目立体视觉中的极线约束关系，从投影立体匹配候选点中确定出最终的投影立体匹配点。