CN107992868A - 一种高精度立体足迹快速采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型智能立体足迹采集仪，至少包括：采集足迹的足迹采集单元，与所述足迹采集单元连接的对采集到的数据进行分析的足迹信息处理单元以及显示所述足迹信息处理单元处理后的数据的足迹信息显示单元。足迹采集单元包括：垂直照射于足迹表面的连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹的投影仪，左/右侧采集组，所述左/右采集组分别设有足迹采集的相机。本发明由双目变为三目，两两组合成三组，从根本上解决外界对足迹的干扰破坏，真正实现原始无损提取，可避免“实物填充法”带来的人为破坏和变形，以及后期材料干缩、裂纹等问题。

Description

一种高精度立体足迹快速采集方法
技术领域
本发明涉及一种高精度立体足迹快速采集方法，属于脚印信息采集分析领域。
背景技术
作为一种重要的反映人体生物特征的痕迹信息，足迹在国内外受到了普遍的重视。特别是自上世纪80年代以来，足迹检验技术不断向定量化、自动化方向发展，在实际办案中发挥了重要作用。传统拍照、石膏制模等手段能够满足立体足迹提取的基本要求，但效率、精度、自动化程度低，而且需要操作者具有一定的提取经验，液体、灰尘等软基客体的足迹提取比较困难。另一方面社会不断进步，城市化进程加快，地面条件发生巨大变化，在钢筋水泥结构的“丛林”中用传统的方法提取立体足迹也不太现实。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，本申请提出一种高精度立体足迹快速采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹垂直照射于足迹表面；
S2：用变尺度18方向gabor滤波器提取特征，***重构三维平面，提取投影基准面与水平面夹角，以此角调整投影主轴与投影基准面正交并通过左/右采集组同步采集足迹数据；
S3：利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行基于NURBS的透视二次投影进行立体匹配三维重构；所述微型网格约束为同一目标在不同的相机的成像像素点位置不同形成视差，当条纹的位置已知时，在水平与垂直条纹形成的微型网格限定的范围内对特征点进行匹配。
S4：将所述步骤S3匹配及重构后的图像显示至显示单元上，得到提取后的足迹图像。
进一步的，所述步骤S3还包括：所述微型网格约束当其中一条光路像面中的NURBS曲线的控制点及其对应的权值已知时，则可以由下式得到其在另一条光路像面中的投影CL()为：
其中，π(C(u))为空间NURBS曲线C(u)的透视投影变换；wiL为左光路第i个控制点的权值；FL(FR)为左/右光路物空间焦点；βL(βR)为左/右光路放大倍率；diL为空间控制点在左光路像平面上的投影；Ni,k(u)为第i个k次B样条基函数。
更进一步的，采集足迹的足迹采集单元，与所述足迹采集单元连接的对采集到的数据进行分析的足迹信息处理单元以及显示所述足迹信息处理单元处理后的数据的足迹信息显示单元；
进一步的，所述足迹采集单元，包括：垂直照射于足迹表面的连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹的投影仪，左/右侧采集组，所述左/右采集组分别设有足迹采集的相机；所述左采集组和右采集组形成双目立体视觉测量；所述左/右相机分别与投影仪形成结构光三维测量；所述左/右侧采集组同步采集标定板上所述投影仪投影后产生的光点数据；
所述足迹信息处理单元，包括：自动识别所述足迹采集单元采集到的足迹数据的分析模块。
更进一步的，所述分析模块分析由所述足迹采集单元采集的足迹的材质、纹理、使用的时间、支撑结构、尺寸、多枚足迹的相对位置，粉尘、积雪、积水、血、泥、沙的厚度并自动存储现场的温度、湿度、经纬度信息。
更进一步的，所述三维测量利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行三维重构；所述左/右采集组一侧投影双目足迹图像阴影区域，另一侧投影双目重构融合该阴影区域。
更进一步的，所述双目立体视觉匹配算法为基于NURBS的透视二次投影立体匹配，其搜索范围为10个像素。
进一步的，所述的投影仪，包括：前端的镜头、变倍体、投影器；所述左/右采集组，包括：前端的镜头、变倍体、CCD。
进一步的，所述不同频率取值范围为0.001-0.25HZ，其取值由目标的尺度及其高低起伏的程度决定；
当目标尺度减小或高低起伏增大时，频率取值随尺寸的减小或起伏程度的增大而增大。
本发明的优点在于：由双目变为三目，其中投影算一目，两两组合成三组，通过微型网格来约束，阴影解缠能克服，微米精度快。从根本上解决外界对足迹的干扰破坏，真正实现原始无损提取，可避免“实物填充法”带来的人为破坏和变形，以及后期材料干缩、裂纹等问题。同时本申请采用光学条纹投影比三维激光扫描测量范围大、速度快、体积小、成本低。三维重构时，自动识别一侧投影双目足迹图像阴影区域，另一侧投影双目重构融合该阴影区域，解决了结构光三维重建中的遮挡-阴影难题。并用该数据与双目立体视觉三维重构结果复核结构光解缠问题，进一步提高三维重构精度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的单元结构示意图；
图2为本发明的采集单元采集的足迹点云数据；
图3为本发明的采集单元采集的足迹三维造型数据；
图4为本发明的投影条纹示意图；
图5为本发明的NURBS曲线的立体匹配示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-5所示的为本申请提出一种小型智能立体足迹采集仪，包括：
采集足迹的足迹采集单元，与所述足迹采集单元连接的对采集到的数据进行分析的足迹信息处理单元以及显示所述足迹信息处理单元处理后的数据的足迹信息显示单元。在本实施方式中，所述小型智能立体足迹采集仪显示单元为通过WIFI连接的无线显示器，可以理解为，在其他实施方式中，所述的显示单元可以为其它显示器件，如液晶显示屏、LED显示屏等，只要能够满足能够清楚的将采集到的数据清晰的显示出即可。
在本实施方式中，足迹采集单元，包括：垂直照射于足迹表面的连续投射不同频率如图4所示的黑白相间的横/竖条纹的投影仪，左/右侧采集组，所述左/右采集组分别设有足迹采集的相机；所述左采集组和右采集组形成双目立体视觉测量；所述左/右相机分别与投影仪形成结构光三维测量；所述左/右侧采集组同步采集标定板上所述投影仪投影后产生的光点数据。在本实施方式中，投射的不同频率取值范围为0.001-0.25HZ，同时其最终取值取决于目标的尺度及其高低起伏的程度。
在本实施方式中，当条纹位置已知，条纹与目标叠加产生变形，其变形量经推算可得到目标的高度变化，能够快速获得目标三维形貌，受光照影响小、且成本低、速度快、精度较高、适应性强。
作为优选的实施方式，所述足迹信息处理单元，包括：自动识别所述足迹采集单元采集到的足迹数据的分析模块。分析模块分析由所述足迹采集单元采集的足迹的材质、纹理、使用的时间、支撑结构、尺寸、多枚足迹的相对位置，粉尘、积雪、积水、血、泥、沙的厚度并自动存储现场的温度、湿度、经纬度信息。可以理解为在其它实施方式中，所述分析模块分析的内容可以按照实际情况进行选择，只要能够清晰的采集所需的信息即可。
在本实施方式中，三维测量利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行三维重构；所述左/右采集组一侧投影双目足迹图像阴影区域，另一侧投影双目重构融合该阴影区域。所述双目立体视觉匹配算法是基于NURBS的透视二次投影立体匹配：在研究立体视觉模型非线性透视投影耦合关系的基础上，提出了用具有透视投影不变性的NURBS曲线的二次投影作为匹配基元的立体匹配算法，该算法消除了透视畸变对匹配的影响，使搜索范围从60像素缩小到10个像素，提高了匹配的精度和鲁棒性。可以理解为，在其它实施方式中，所述的匹配算法还可以如SAD匹配算法等，只要能够满足能够清晰的去除阴影区域得到清晰的脚印图像即可，即减小阴影对采集的脚印形状产生的误差。
在本实施方式中，在NURBS的视觉的多光路结构中，定义空间NURBS曲线投影的权因子为：
wij＝Wi(Di-Oj)·Lj,j＝1,2 i＝1,2,3...,n
其中，wij表示为空间NURBS曲线在第j条光路中控制点的权因子，Oj和Lj分别表示像平面中心、像平面法向量。
则对于同一空间控制点，其任意两个投影平面的像面控制点的关系为：
其中，diL(diR)为同一空间控制点在左/右光路像平面上的投影；βL(βR)为左/右光路放大倍率；FL(FR)为左/右光路物空间焦点。本发明还包括一种高精度立体足迹快速采集方法，包括：S1：连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹垂直照射于足迹表面；S2：用变尺度18方向gabor滤波器提取特征，***重构三维平面，提取投影基准面与水平面夹角，以此角调整投影主轴与投影基准面正交并通过左/右采集组同步采集足迹数据；S3：利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行基于NURBS的透视二次投影进行立体匹配三维重构；所述微型网格约束为同一目标在不同的相机的成像像素点位置不同形成视差，当条纹的位置已知时，在水平与垂直条纹形成的微型网格限定的范围内对特征点进行匹配。S4：将所述步骤S3匹配及重构后的图像显示至显示单元上，得到提取后的足迹图像。
当其中一条光路像面中的NURBS曲线的控制点及其对应的权值已知时，则可以由下式得到其在另一条光路像面中的投影
其中，π(C(u))为空间NURBS曲线C(u)的透视投影变换；wiL为左光路第i个控制点的权值；FL(FR)为左/右光路物空间焦点；βL(βR)为左/右光路放大倍率；diL为空间控制点在左光路像平面上的投影；Ni,k(u)为第i个k次B样条基函数。
在本实施方式中，所述的投影仪，包括：前端的镜头、变倍体、投影器；所述左/右采集组，包括：前端的镜头、变倍体、CCD。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高精度立体足迹快速采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹垂直照射于足迹表面；
S2：用变尺度18方向gabor滤波器提取特征，***重构三维平面，提取投影基准面与水平面夹角，以此角调整投影主轴与投影基准面正交并通过左/右采集组同步采集足迹数据；
S3：利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行基于NURBS的透视二次投影进行立体匹配三维重构；所述微型网格约束为同一目标在不同的相机的成像像素点位置不同形成视差，当条纹的位置已知时，在水平与垂直条纹形成的微型网格限定的范围内对特征点进行匹配。
S4：将所述步骤S3匹配及重构后的图像显示至显示单元上，得到提取后的足迹图像。
2.根据权利要求1所述的一种高精度立体足迹快速采集方法，其特征还在于：
所述步骤S3还包括：所述微型网格约束当其中一条光路像面中的NURBS曲线的控制点及其对应的权值已知时，则可以由下式得到其在另一条光路像面中的投影CL(u)为：
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>C</mi> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>w</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>R</mi> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>R</mi> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>R</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>w</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>;</mo> </mrow>
其中，π(C(u))为左光路NURBS曲线C(u)的透视投影变换；wiL为左光路第i个控制点的权值；FL(FR)为左/右光路物空间焦点；βL(βR)为左/右光路放大倍率；diL为空间控制点在左光路像平面上的投影；Ni,k(u)为第i个k次B样条基函数。
3.采用权利要求1-2任意一项的足迹快速采集方法的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征在于，至少包括：
采集足迹的足迹采集单元，与所述足迹采集单元连接的对采集到的数据进行分析的足迹信息处理单元以及显示所述足迹信息处理单元处理后的数据的足迹信息显示单元；
所述足迹采集单元，包括：垂直照射于足迹表面的连续投射不同频率黑白相间的横/竖条纹的投影仪，左/右侧采集组，所述左/右采集组分别设有足迹采集的相机；所述左采集组和右采集组形成双目立体视觉测量；所述左/右相机分别与投影仪形成结构光三维测量；所述左/右侧采集组同步采集标定板上所述投影仪投影后产生的光点数据；
所述足迹信息处理单元，包括：自动识别所述足迹采集单元采集到的足迹数据的分析模块。
4.根据权利要求3所述的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征还在于：
所述分析模块分析由所述足迹采集单元采集的足迹的材质、纹理、使用的时间、支撑结构、尺寸、多枚足迹的相对位置，粉尘、积雪、积水、血、泥、沙的厚度并自动存储现场的温度、湿度、经纬度信息。
5.根据权利要求3所述的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征还在于：
所述三维测量利用微型网格约束的双目立体视觉匹配算法进行三维重构；所述左/右采集组一侧投影双目足迹图像阴影区域，另一侧投影双目重构融合该阴影区域。
6.根据权利要求5所述的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征还在于：
所述双目立体视觉匹配算法为基于NURBS的透视二次投影立体匹配，其搜索范围为10个像素。
7.根据权利要求1所述的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征还在于：
所述的投影仪，包括：前端的镜头、变倍体、投影器；所述左/右采集组，包括：前端的镜头、变倍体、CCD。
8.根据权利要求1所述的一种小型智能立体足迹采集仪，其特征还在于：所述不同频率取值范围为0.001-0.25HZ，其取值由目标的尺度及其高低起伏的程度决定；
当目标尺度减小或高低起伏增大时，频率取值随尺寸的减小或起伏程度的增大而增大。
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