CN108020175B - 一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法 - Google Patents

一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，所述成像方法包括：第一相机和第二相机作为双目相机；通过第一、第二投影仪畸变矫正，以及两个投影仪的图像像素匹配，将两个投影等效成一个大视场投影仪，用于覆盖舌头上表面和两侧表面的大视场光栅；第一相机、第二相机分别和第一投影仪、第二投影仪组成两组光栅测量***来采集舌头的两侧表面的三维信息；第一相机、第二相机在舌头的上表面的视场重合区域构成了双目立体视觉***，通过相位匹配同名点，实现精确稳定地测量舌头的上表面形貌特征。本发明保证测量速度的同时利用光栅相位信息调制的特点减小测量数据噪声干扰，实现三维形貌数据获取的快速、准确。

Description

一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法
技术领域
本发明涉及三维成像领域，尤其涉及一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法。
背景技术
典型的结构光形貌测量技术利用一个光投射器(点或线激光器，光栅投射器等)和单目相机，并基于三角测量法原理测量物体的表面形貌，其中光栅属于覆盖面型结构光，可以实现对形貌的快速全场测量，因而被广泛的应用于三维生物特征的获取。但舌体三维生物特征复杂，单投射器与单目相机只能采集到舌头上表面形貌特征，对于舌头侧面的舌苔厚度和齿痕等信息采集不精确或不完全。
发明内容
本发明提供了一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，本发明使用多光栅投影整体成像的三维形貌测量方法，保证测量速度的同时利用光栅相位信息调制的特点减小测量数据噪声干扰，实现三维形貌数据获取的快速、准确，详见下文描述：
一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，所述方法包括以下步骤：
1)构建舌表面形貌采集***；
其中，舌表面形貌采集***包括：第一投影仪、第二投影仪、第一相机、第二相机、第一光源、以及第二光源；
第一光源和第二光源作为双光栅投射器；第一相机和第二相机作为双目相机；
2)通过第一、第二投影仪畸变矫正，以及两个投影仪的图像像素匹配，将两个投影等效成一个大视场投影仪，用于覆盖舌头上表面和两侧表面的大视场光栅；
3)第一相机、第二相机分别和第一投影仪、第二投影仪组成两组光栅测量***来采集舌头的两侧表面的三维信息；
4)第一相机、第二相机在舌头的上表面的视场重合区域构成了双目立体视觉***，通过相位匹配同名点，实现精确稳定地测量舌头的上表面形貌特征。
所述步骤2)具体为：
1)通过张正友相机标定算法，借助标定板标定出世界坐标系向相机图像坐标系的第一转换矩阵；
2)用投影仪向标定板分别投射横向与竖向条纹，相机拍摄条纹图，并解算绝对相位标定出世界坐标系向投影仪图像坐标系的第二转换矩阵；
3)根据张正友相机标定算法、结合最小二乘法计算出投影仪与标定板之间的坐标转换矩阵；同时获取从相机到投影仪的坐标转换矩阵；第一相机第二相机间的图像坐标转换关系借助标定板标定；
4)获取第一投影仪与第二投影仪之间的图像坐标转换关系。
所述第一投影仪与第二投影仪之间的图像坐标转换关系具体为：
其中，为第一投影仪图像上一点的横坐标，为第一投影仪图像上一点的纵坐标，为第二投影仪图像对应点横坐标，为第二投影仪图像对应点纵坐标，为第一相机的图像向第一投影仪图像的转换矩阵，为第二相机的图像向第一相机图像的转换矩阵，为第二相机图像向第二投影仪图像的转换矩阵。
其中，所述方法还包括：
在相机图像过曝区域依据坐标转换关系找到对应投影仪图像坐标，并减小其投影亮度；
引入全场均匀约束，经过多次调整和迭代，最终使拼接后的大视场光栅条纹图亮度均匀。
进一步地，所述方法还包括：
将双目立体视觉***的坐标系建立在第一相机上，同时单目***坐标系建立在第二相机上；
单目***需要对测量结果依照双目立体视觉***标定出的转换矩阵进行坐标系转换；
三套***的数据都统一到同一个坐标系后，测量***采集到的舌头上表面数据与两侧面的测量数据将整合在一起。
进一步地，所述第一投影仪、第二投影仪为工业级投影仪TI Lightcrafter 4500。
其中，所述第一相机、第二相机为Basler ava1900-50gc。
进一步地，所述第一光源、以及第二光源为CCS HPR2-150SW。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明在保证测量速度的同时利用光栅相位信息调制的特点减小测量数据噪声干扰，实现三维形貌数据获取的快速、准确；
2、本发明实现了三维形貌测量方法在中医舌象上的应用，满足了实际应用中的多种应用需求。
附图说明
图1为一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法的流程图；
图2为一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像***的结构示意图；
图3为双目***坐标系转换模型的示意图；
图4为投影仪与相机坐标相位匹配的示意图；
其中，(a)为投影仪投射的纵向条纹图；(b)为投影仪投射的横向条纹图；(c)为相机投射的纵向条纹图；(d)为相机投射的横向条纹图；(e)为(a)对应的绝对相位分布图；(f)为(b)对应的绝对相位分布图；(g)为(c)对应的绝对相位分布图；(h)为(d)对应的绝对相位分布图。
图5为双目视差原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：第一投影仪； 2：第二投影仪；
3：第一相机； 4：第二相机；
5：第一光源； 6：第二光源；
7：舌头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
为了解决背景技术中的问题，需研制一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，参见图1和图2，该方法包括以下步骤：
101：构建双光栅投射器与双目相机组成的舌表面形貌采集***；
其中，参见图1，该舌表面形貌采集***包括：第一投影仪1、第二投影仪2、第一相机3、第二相机4、第一光源5、以及第二光源6。第一光源5和第二光源6作为双光栅投射器。第一相机3和第二相机4作为双目相机。
第一投影仪1对应于第一相机3和第一光源5，同理，第二投影仪2对应于第二相机4和第二光源6。
具体实现时，本发明实施例对上述器件的型号不做限制，只要能实现上述功能的器件均可。
102：通过第一投影仪1、第二投影仪2的标定、图像校正、条纹灰度自适应调节，将两个条纹拼接成一个覆盖舌头7的上表面和两侧表面的大视场光栅；
103：第一相机3、第二相机4分别和第一投影仪1、第二投影仪2组成两组光栅测量***来采集舌头7的两侧表面的三维信息；
104：第一相机3、第二相机4在舌头7的上表面的视场重合区域构成了双目立体视觉***，通过相位匹配精确匹配同名点，实现精确稳定地测量舌头7的上表面形貌特征。
综上所述，本发明实施例使用多光栅投影整体成像的三维形貌测量方法，保证测量速度的同时利用光栅相位信息调制的特点减小测量数据噪声干扰，实现三维形貌数据获取的快速、准确。
实施例2
下面结合具体的实例、计算公式、图3-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：构建双光栅投射器与双目相机组成的舌表面形貌采集***；
其中，参见图2，该舌表面形貌采集***包括：第一投影仪1、第二投影仪2、第一相机3、第二相机4、第一光源5、以及第二光源6。第一光源5和第二光源6作为双光栅投射器。第一相机3和第二相机4作为双目相机。
第一投影仪1对应于第一相机3和第一光源5，同理，第二投影仪2对应于第二相机4和第二光源6。
其中，为了减少投影仪的镜头畸变及非线性响应误差，第一投影仪1、第二投影仪2优选为工业级投影仪TI Lightcrafter 4500。
进一步地，为了高速采集光栅图像和真实舌面色彩，第一相机3、第二相机4优选为Basler ava1900-50gc；第一光源5、以及第二光源6优选为CCS HPR2-150SW。
202：对第一投影仪1和第二投影仪2的视场进行拼接；
为使第一投影仪1和第二投影仪2投射的条纹图拼接在一起，使两个图像坐标系在世界坐标系中统一，首先需要标定出第一投影仪1和第二投影仪2的内外参数。
第一投影仪1和第二投影仪2不是感光仪器，必须分别借助于第一相机3和第二相机4的辅助拍摄。依据光路可逆原理，投影仪等同于逆向的相机，并适用于相机针孔模型，投影仪和相机组成的“双目***坐标系转换模型”如图3所示。其中，Pw代表标定板平面，Pl代表第一投影仪1(或第二投影仪2)的投射芯片平面，Pr代表相机第一相机3(或第二相机4)的感光芯片靶面。
投影仪图像坐标系上一点pl投射光线到了标定板上一点pw，pw的光线被相机捕捉成像在相机图像上的pr点。pr点与pw点坐标满足如下转换关系：
其中，pr＝[ur vr 1]T,pw＝[xw yw 1]T分别表示两点坐标,s表示缩放因子。
分别代表相机的内参矩阵和外参矩阵。frx和rr22等分别代表矩阵中的元素。
因此，可将pr点与pw点转换关系式简写成：
类似地，可以得到pl点与pw点的转换关系式：
其中，为世界坐标系向相机图像坐标系的转换矩阵；为世界坐标系向投影仪图像坐标系的转换矩阵。
通过张正友相机标定算法(该算法为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述)，可以借助标定板方便地标定出矩阵但为了标定需用投影仪向标定板分别投射横向与竖向条纹，相机拍摄条纹图，并解算其绝对相位，如图4所示。
对于投影仪芯片上任一点pl，在条纹图上具有横向相位和竖向相位以此能在相机图像坐标系中找到相位匹配点pr。依据以标定出的矩阵计算出在标定板上的对应点pw，进而根据张正友相机标定模型并结合最小二乘法计算出投影仪与标定板之间的坐标转换矩阵从相机到投影仪的坐标转换矩阵可由下式计算：
第一相机3和第二相机4组成一个典型的双目视觉***，此时图3中Pl、Pr平面分别表示第一相机3和第二相机4的感光靶面，第一相机3和第二相机4间的图像坐标转换关系可以借助标定板方便地标定出。当第一投影仪1与第一相机3、第二投影仪2与第二相机4、第一相机3与第二相机4间的图像坐标转换关系已知时，第一投影仪1与第二投影仪2之间的图像坐标转换关系可由下式计算：
其中，为第一投影仪1图像上一点的横坐标，为第一投影仪1图像上一点的纵坐标，为第二投影仪2图像对应点横坐标，为第二投影仪2图像对应点纵坐标，为第一相机3的图像向第一投影仪1图像的转换矩阵，为第二相机4的图像向第一相机3图像的转换矩阵，为第二相机4图像向第二投影仪2图像的转换矩阵。
通过第一、第二投影仪畸变矫正，以及两个投影仪的图像像素匹配，可将两个投影等效成一个大视场投影仪，第一、第二投影仪投射的条纹图将拼接在一起，能覆盖被测舌头7的上侧表面以及两侧表面。
为使光栅条纹的对比度清晰，第一投影仪1和第二投影仪2一般使用最高亮度，这会使两投影仪视场重合部分引起过曝现象，条纹相位信息被高亮度掩盖。
为解决过曝问题，在相机图像过曝区域依据坐标转换关系找到对应投影仪图像坐标，并减小其投影亮度；引入全场均匀约束，经过多次调整和迭代，最终使拼接后的大视场光栅条纹图亮度均匀。
202：单双目视觉融合形貌测量技术。
通过光栅投影形貌测量技术的***标定，将已知拓扑关系的标定板在相机视场下摆放多个位置并用相机采集计算条纹图相位，利用最优化算法解算多项式系数，建立相机图像相位与物体高度间的映射矩阵。
双目视觉测量***基于如图5所示的视差原理，需要找到同一空间点在两个相机像面上的投影点和通过两条光线相交即可确定空间点P的坐标：
其中，b是相机间平移关系，是视差，f为双相机的焦距。
进一步地，图5中的C1为第一相机3的光心，C2为第二相机4的光心，A1为P点在第一相机3上的投影点，A2为P点在第二相机4上的投影点。
双目测量***的关键在于第一相机3和第二相机4的同名点匹配，借助于光栅的投射，第一相机3和第二相机4分别拍摄带有相位信息的条纹图。类似于图4中匹配点搜索方法，对于第一相机3和第二相机4的视场重合部分，第二相机4的图像上必有一点，与第一相机3在图像上同名点的横竖方向相位相同。
本方法的难点是将三个***(一套双目立体视觉***，两套单目光栅***)统一到一个坐标系下。标定过程中，可以将双目***的坐标系建立在第一相机3上，同时单目***坐标系建立在对应的相机上，这样第一相机3组成的单目***则不涉及到坐标系的转换问题，而第二相机4组成的单目***则需要对测量结果依照双目标定出的转换矩阵进行坐标系转换。三套***的数据都统一到同一个坐标系后，测量***采集到的舌头7上表面数据与两侧面的测量数据将整合在一起。
对于单目测量，复现双目缺失部位以外的区域，既增加了测量时间，同时也会在这些区域产生数据重叠，影响进一步的处理。
为了在单目测量中只复现双目缺失区域，在双目测量的匹配过程中必须分别对第一相机3和第二相机4的未匹配点进行标记。对相位图中每一点设置一个标记值，如果能够找到对应匹配点则设其标记值为1，否则为0。在随后的单目复现中仅需针对标记值为0的点进行处理。
综上所述，本发明实施例使用多光栅投影整体成像的三维形貌测量方法，保证测量速度的同时利用光栅相位信息调制的特点减小测量数据噪声干扰，实现三维形貌数据获取的快速、准确。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)构建舌表面形貌采集***；
其中，舌表面形貌采集***包括：第一投影仪、第二投影仪、第一相机、第二相机、第一光源、以及第二光源；
第一投影仪和第二投影仪作为双光栅投射器；第一相机和第二相机作为双目相机；
2)通过第一、第二投影仪畸变矫正，以及两个投影仪的图像像素匹配，将两个投影等效成一个大视场投影仪，用于覆盖舌头上表面和两侧表面的大视场光栅；
3)第一相机、第二相机分别和第一投影仪、第二投影仪组成两组光栅测量***来采集舌头的两侧表面的三维信息；
4)第一相机、第二相机在舌头的上表面的视场重合区域构成了双目立体视觉***，通过相位匹配同名点，实现精确稳定地测量舌头的上表面形貌特征；
其中，所述步骤2)具体为：
1)通过张正友相机标定算法，借助标定板标定出世界坐标系向相机图像坐标系的第一转换矩阵；
2)用投影仪向标定板分别投射横向与竖向条纹，相机拍摄条纹图，并解算绝对相位标定出世界坐标系向投影仪图像坐标系的第二转换矩阵；
3)根据张正友相机标定算法、结合最小二乘法计算出投影仪与标定板之间的坐标转换矩阵；同时获取从相机到投影仪的坐标转换矩阵；第一相机第二相机间的图像坐标转换关系借助标定板标定；
4)获取第一投影仪与第二投影仪之间的图像坐标转换关系。
2.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述第一投影仪与第二投影仪之间的图像坐标转换关系具体为：
其中， 为第一投影仪图像上一点的横坐标，为第一投影仪图像上一点的纵坐标，为第二投影仪图像对应点横坐标，为第二投影仪图像对应点纵坐标，为第一相机的图像向第一投影仪图像的转换矩阵，为第二相机的图像向第一相机图像的转换矩阵，为第二相机图像向第二投影仪图像的转换矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述方法还包括：
在相机图像过曝区域依据坐标转换关系找到对应投影仪图像坐标，并减小其投影亮度；
引入全场均匀约束，经过多次调整和迭代，最终使拼接后的大视场光栅条纹图亮度均匀。
4.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述方法还包括：
将双目立体视觉***的坐标系建立在第一相机上，同时单目***坐标系建立在第二相机上；
单目***需要对测量结果依照双目立体视觉***标定出的转换矩阵进行坐标系转换；
三套***的数据都统一到同一个坐标系后，测量***采集到的舌头上表面数据与两侧面的测量数据将整合在一起。
5.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述第一投影仪、第二投影仪为工业级投影仪TI Lightcrafter 4500。
6.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述第一相机、第二相机为Basler ava1900-50gc。
7.根据权利要求1所述的一种多光栅投影双目视觉舌体表面三维整体成像方法，其特征在于，所述第一光源、以及第二光源为CCS HPR2-150SW。
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