一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法
【專利摘要】一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法，其特征在于，包括以下步驟：1)、采集瞬態圖像將帶激光光源的照相機的激光光源聚焦后照射拐角后的漫反射墻面上任意一點xS，再用帶激光光源的照相機采集漫反射墻面的瞬態圖像(xS不在相機視野范圍內)，得到相機平面上的瞬態圖像I(t,u)，其中u為圖像坐標；2)、轉換坐標：將圖像坐標u映射到漫反射墻面上得到點xP，將圖像坐標u轉換為xP，從而將采集得到的相機平面上的瞬態圖像I(t,u)轉換為漫反射墻面上的瞬態圖像i(t,xp)；本發明算法簡單、實用性強，通過單應變換實現被測物體在不同視角的轉換，通過采集瞬態圖像能夠對拐角處被遮擋、無法直接觀測的待測物體進行成像，并且同時能夠獲得拐角處待測物體的紋理和三維結構。
【專利說明】
一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種拐角處物體的成像方法，尤其是一種拐角處物體的紋理與三維結 構成像方法。
【背景技術】
[0002] 普通相機成像時，依賴環境光源，物體的三維結構投影到成像平面，相機獲得物體 的平面投影的紋理和顏色。深度相機成像時，采用相機的單色激光光源，通過測量光從相機 到物體的飛行時間獲得物體表面各點的深度(即正面的三維結構）。
[0003] 拐角物體即被拐角遮擋的物體，由于物體反射的光線不能被相機測量而無法用一 般的方法成像。如果拐角后的墻面是鏡面時，則可以用普通相機成像，但無法獲得物體的三 維結構;如果拐角后的墻面是漫反射表面時，則光線經過物體和墻面反射后發生混疊，無法 成像。
[0004] 拐角物體成像的基本原理為：拐角物體反射的光線被拐角后的漫反射墻面反射 后，用相機采集，測量每條光線的飛行時間，然后采用計算方法分解混疊的光線，從而得到 拐角物體表面的范圍結構。
[0005] 現有的一些拐角物體成像的方法主要是通過測量拐角物體發出的光線經過拐角 處的墻面反射到相機的時間，用幾何理論和計算方法解析出光源的位置，從而得到拐角物 體的三維結構，這些方法無法同時得到拐角物體的紋理。

【發明內容】

[0006] 針對現有技術的不足，本發明提供一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法。
[0007] 本發明的技術方案為:一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法，其特征在于， 包括以下步驟：
[0008] 1)、采集瞬態圖像:將帶激光光源的照相機的激光光源聚焦后照射拐角后的漫反 射墻面上任意一點X s，再用帶激光光源的照相機采集漫反射墻面的瞬態圖像(Xs不在相機視 野范圍內），得到相機平面上的瞬態圖像I(t，u)，其中u為圖像坐標；
[0009] 2)、轉換坐標:將圖像坐標u映射到漫反射墻面上得到點/，將圖像坐標u轉換為/， 從而將采集得到的相機平面上的瞬態圖像I(t，u)轉換為漫反射墻面上的瞬態圖像i(t， xp)；
[0010] 3)、對于漫反射墻面上每個點/，其成像方程組為：
[0011] i(t ,xp) =/r(x)5[t-Ts(x)-Tp(x)-Ti(xs)-Tc(x p) ]dx,
[0014]其中xs為激光光源照射點，xp為瞬態圖像映射到漫反射墻面的點，x為拐角后物體 表面正交投影到漫反射墻面的點，r(x)為拐角后物體表面正交投影到漫反射墻面的紋理，z (X)為拐角后物體表面相對于漫反射墻面的深度，S(t)稱為狄拉克函數或單位脈沖函數，c 為光速，X1和f分別為激光和相機正交投影到漫反射墻面的點，z1和f分別為激光和相機相 對于漫反射墻面的深度；
[0015] 4)、求解成像方程組，并計算得到r (X)和z (X)。
[0016] 上述技術方案中，步驟1)中采集瞬態圖像所用的帶激光光源的相機為帶飛秒脈沖 激光器的超高速掃描相機，或為可變頻率的ToF(飛行時間)深度相機。
[0017] 上述技術方案中，步驟2)中所述轉換坐標所使用的方法為單應變換，單應變換可 以實現拐角處物體在不同視角的圖像之間的轉換，其數學表達式為：
[0018] xp = Hu， χρ?' "xul" h12 hu'
[0019] Xp = yP1 , tt = yul , H = h2i h2> h·;^ 1 1 1-? i h?t2 hiA.
[0020] 其中，（xpl，ypl)為點xp的坐標分量，（xul，y ul)為圖像坐標u的坐標分量，H為3X3的 非奇異單應矩陣。
[0021] 上述技術方案中，步驟4)中計算r(x)和z(x)的步驟為：
[0022] 4.1、離散化成像方程組：
[0023]小'義）=,x為正整數，^^(χΗτρ^+τΚχ^+τΧχΡ)，
[0026] 4.2、求解誤差：
[0030] 4.3、求解最小二乘問題：
[0031] [r(-v)"z(x)]=argr mm
[0032] 所述的可變頻的ToF(飛行時間）深度相機通過采用等間隔處理后的頻率對被測對 象采集一組圖像集;從所述圖像集中提取出基波圖像和諧波圖像，并對基波圖像和諧波圖 像進行校正，將校正后的基波圖像和諧波圖像沿著所屬頻率做傅里葉反變換得到瞬態圖像 I(t,u)〇
[0033] 上述技術方案中，步驟4.3)中所述求解最小二乘問題的方法為置信度傳播算法。
[0034] 本發明的有益效果為:算法簡單、實用性強，通過單應變換實現被測物體在不同視 角的轉換，通過采集瞬態圖像能夠對拐角處被遮擋、無法直接觀測的待測物體進行成像，并 且同時能夠獲得拐角處待測物體的紋理和三維結構。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明采集瞬態圖像的示意圖；
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明：
[0037]如圖1所示，一種拐角處物體的紋理與三維結構成像方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0038] 1)、采集瞬態圖像:通過帶激光光源的照相機對拐角處待測物體進行瞬態圖像采 集，將帶激光光源的照相機的激光光源聚焦后照射拐角后的漫反射墻面上任意一點Xs，再 用帶激光光源的照相機采集漫反射墻面的瞬態圖像(X s不在相機視野范圍內），得到相機平 面上的瞬態圖像I(t，u)，其中u為圖像坐標；
[0039] 2)、轉換坐標:將圖像坐標u映射到漫反射墻面上得到點/，將圖像坐標u轉換為/， 從而將采集得到的相機平面上的瞬態圖像I(t，u)轉換為漫反射墻面上的瞬態圖像i(t， xp);
[0040] 3)、對于漫反射墻面上每個點/，其成像方程組為：
[0041 ] i(t ,xp) =/r(x)5[t-Ts(x)-Tp(x)-Ti(xs)-T c(xp) ]dx,
[0044] 其中xs為激光光源照射點，/為瞬態圖像映射到漫反射墻面的點，x為拐角后物體 表面正交投影到漫反射墻面的點，r(x)為拐角后物體表面正交投影到漫反射墻面的紋理，z (X)為拐角后物體表面相對于漫反射墻面的深度，S(t)稱為狄拉克函數或單位脈沖函數，c 為光速，X1和f分別為激光和相機正交投影到漫反射墻面的點，z1和f分別為激光和相機相 對于漫反射墻面的深度；
[0045] 4)、求解成像方程組，并計算得到r(x)和z(x)，其求解步驟如下，
[0046] 4 · 1、離散化成像方程組：
[0047]取x ) = Sr(^).，x為正整數，?ιΧχΗτρΜ+τΚχ^+τΧχΡ)， Λ·
[0050] 4.2、求解誤差： - ]:2
[0051] e(x) = ^ t t ^ r^(x) + rp(x) + Tl(xs) + rc(xp), xr\xs.r ^ X _
[0054] 4.3、求解最小二乘問題： 「OOH1 [K4, z(x)] = arg min ??( ;〇。
[0056]上述技術方案中，步驟1)中采集瞬態圖像所用的帶激光光源的相機為帶飛秒脈沖 激光器的超高速掃描相機，或為可變頻率的ToF(飛行時間)深度相機。
[0057]所述的可變頻的ToF(飛行時間）深度相機采集瞬態圖像I(t，u)的頻率為5MHz-160MHz，將5MHz -160MHz的頻率進行等間隔處理，可變頻的ToF (飛行時間）深度相機通過采 用等間隔處理后的頻率對被測對象采集一組圖像集;從所述圖像集中提取出基波圖像和諧 波圖像，并對基波圖像和諧波圖像進行校正，將校正后的基波圖像和諧波圖像沿著頻率做 傅里葉反變換得到瞬態圖像I(t，u)。
[0058] 上述技術方案中，步驟2)中所述轉換坐標所使用的方法為單應變換，單應變換可 以實現拐角處物體在不同視角的圖像之間的轉換，其數學表達式為：
[0059] xp = Hu, χΡ1] [xul [紅 11 hi2 hi3
[0060] χΡ - yp1 , Μ = yul , Η = h2x h2> h 2i -1 - 1 -^31 h32
[0061] 其中，（xpl，ypl)為點xp的坐標分量，（xul，y ul)為圖像坐標u的坐標分量，H為3X3的 非奇異單應矩陣。
[0062] 上述技術方案中，步驟1)中激光光源照射拐角后的漫反射墻面上的每個點Xs均可 以列成一個成像方程組。
[0063] 上述技術方案中，步驟4.3)中所述求解最小二乘問題的方法為置信度傳播算法。
[0064] 上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和最佳實施例，在不脫離本 發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保 護的本發明范圍內。
【主權項】
1. 一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 、采集瞬態圖像:將帶激光光源的照相機的激光光源聚焦后照射拐角后的漫反射墻 面上任意一點/，再用帶激光光源的照相機采集漫反射墻面的瞬態圖像(/不在相機視野范 圍內），得到相機平面上的瞬態圖像I(t，u)，其中U為圖像坐標； 2) 、轉換坐標:將圖像坐標U映射到漫反射墻面上得到點/，將圖像坐標U轉換為/，從而 將采集得到的相機平面上的瞬態圖像I(t，u)轉換為漫反射墻面上的瞬態圖像i(t，xP); 3 )、對于漫反射墻面上每個點/，其成像方程組為：其中為激光光源照射點，/為瞬態圖像映射到漫反射墻面的點，X為拐角后物體表面 正交投影到漫反射墻面的點，Hx)為拐角后物體表面正交投影到漫反射墻面的紋理，ζ(χ) 為拐角后物體表面相對于漫反射墻面的深度，S(t)稱為狄拉克函數或單位脈沖函數，C為光 速，X哺X。分別為激光和相機正交投影到漫反射墻面的點，Z哺Z。分別為激光和相機相對于 漫反射墻面的深度； 4)、求解成像方程組，并計算得到r (X)和Z (X)。2. 根據權利要求1所述的一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于:步 驟1)中采集瞬態圖像所用的帶激光光源的相機為帶飛秒脈沖激光器的超高速掃描相機，或 為可變頻率的ToF(飛行時間)深度相機。3. 根據權利要求1所述的一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于:步 驟2)中所述轉換坐標所使用的方法為單應變換，單應變換可W實現拐角處物體在不同視角 的圖像之間的轉換，其數學表達式為：其中，（xPi，yPi)為點χΡ的坐標分量，（x"，yui)為圖像坐標U的坐標分量，Η為3X3的非奇 異單應矩陣。4. 根據權利要求1所述的一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于:步 驟4)中計算r(x)和ζ(χ)的步驟為： 4.1、離散化成像方程組：4.2、求解誤差：5. 根據權利要求2所述的一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于:所 述的可變頻的ToF(飛行時間）深度相機通過采用等間隔處理后的頻率對被測對象采集一組 圖像集;從所述圖像集中提取出基波圖像和諧波圖像，并對基波圖像和諧波圖像進行校正， 將校正后的基波圖像和諧波圖像沿著所屬頻率做傅里葉反變換得到瞬態圖像I(t，u)。6. 根據權利要求4所述的一種拐角處物體的紋理與Ξ維結構成像方法，其特征在于:步 驟4.3)中所述求解最小二乘問題的方法為置信度傳播算法。
【文檔編號】G01S17/08GK106097337SQ201610406621
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】林靖宇
【申請人】廣西大學