CN106767405A - 相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学三维数字成像技术领域，提供了一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，包括：步骤S1，采集包含被测物体信息的图像，并经计算得到由被采集到的每个点的相位值组成的第一相位分布图和第二相位分布图；步骤S2，利用第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；步骤S3，将空间三维点坐标重投影到第二相位分布图所在的平面上，得到参考对应点；步骤S4，在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，根据某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配。本发明提供的方法缩小了查找范围并缩短了查找时间。

Description

相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置

技术领域

本发明属于光学三维数字成像技术领域，尤其涉及一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置。

背景技术

三目三维成像系统是一种非接触式、全场测量的光学三维数字成像系统。该系统采用投影装置投影一组正弦光栅或准正弦光栅到物体表面，采用成像装置采集经物体表面面形调制后的条纹图，结合相移技术计算每一测量点的空间相位值，之后利用相位信息在两个成像装置的成像面上找到对应点，根据三角测量法计算得到物体表面的三维信息。三目三维成像系统由于其高成像密度、高成像速度、高测量精度和高测量普适性而得到广泛应用。

随着三维成像和测量技术的快速发展，缩短测量时间和提高测量精度成为目前主要的研究方向。三维成像和测量技术最为关键的步骤是对应点的匹配，为了缩短对应点匹配时间，现有技术提出了一些匹配对应点的方法，比较典型的有：1、利用灰度值或正交相位值在图像面上全局搜索实现对应点匹配；2、基于极线约束利用灰度值或单方向相位值实现对应点匹配。第1种方法是每个有效点在整个图像范围内找对应点，第2种方法是每个有效点沿极线查找对应点；现有技术提出的对应点匹配法，在匹配过程中都需要使其中一个图像面上的每一个有效点在另一个图像面上进行全局搜索或者沿着对应的极线搜索，从而导致搜索范围大、查找时间长，直接影响到了三维成像过程中对应点匹配的时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置，旨在解决三维立体对应点匹配过程中存在的搜索范围大、查找时间过长的问题。

本发明提供了一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述方法包括：

步骤S1，利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；并利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图；

所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面；

步骤S2，利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；

步骤S3，将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点；

步骤S4，根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定第二相位分布图所在平面上的极线的方程，在以所述某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的所述极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配。

进一步地，相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据，公式中为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X、Y、Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

进一步地，所述步骤S2具体为：利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和所述第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值X、Y、Z。

进一步地，所述步骤S3具体为：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再经计算得到与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标具体公式为：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。

进一步地，所述步骤S4中，所述极线的方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1；

所述步骤S4具体为：在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，沿着所述极线查找和所述某个点的相位值最接近的点并沿所述极线插值求出该点的坐标该点即为查找出的所述某个点的对应点，其中，该点在第二成像装置坐标系中的Z轴方向的坐标z_norr＝1；

所述某个点为第一相位分布图中的坐标为相位值为的点。

本发明还提供了一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述装置包括：

相位信息获取模块，用于利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；还用于利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图；

所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面；

空间三维点坐标估计模块，用于利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；

参考对应点获取模块，用于将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点；

对应点匹配模块，用于在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配；

所述极线的极线方程为：根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定的第二相位分布图所在平面上的极线方程。

进一步地，相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据，公式中为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X、Y、Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

进一步地，所述空间三维点坐标估计模块具体用于：利用所述第一相位分布图中的每个点的相位值和所述第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值X、Y、Z。

进一步地，所述参考对应点获取模块具体用于：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T通过计算转换到第二成像装置坐标系中，再经计算得到与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标具体公式为：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。

进一步地，所述对应点匹配模块中，所述极线方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1；

所述对应点匹配模块具体用于：在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，沿着所述极线查找和所述某个点的相位值最接近的点并沿极线插值求出该点的坐标该点即为所查找出的所述某个点的对应点，其中，该点在第二成像装置坐标系中的Z轴方向的坐标z_norr＝1；

所述某个点为第一相位分布图中的坐标为相位值为的点。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置，在三维成像系统中，利用第一成像装置采集并经计算得到被测物的第一相位分布图，并估计出被测物体的空间三维点坐标，将估计出的空间三维点坐标重投影到第二相位分布图所在的平面上，得到参考对应点，结合该参考对应点和传统的查找方法进行对应点查找。

本发明在该参考对应点为中心的一个像素大小范围内，结合经典的利用相位信息和极线约束两个条件查找对应点的方法进行查找，极大地缩小了对应点查找的范围，缩短了对应点查找的时间，实现了三维成像系统快速对应点的匹配；满足高速、高精度、高普适性的三维数字成像和测量的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法的过程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法的流程示意图；

图3-1是本发明实施例提供的左相机获取的被测物体模型的左相机相位分布图；

图3-2是本发明实施例提供的右相机获取的被测物体模型的右相机相位分布图；

图4是本发明实施例提供的由相位映射估计出的被测物体空间三维点坐标形成的三维效果图；

图5是本发明实施例提供的，用所查找到的精确对应点，计算重建被测物的三维数字图像；

图6是本发明实施例提供的一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在经典的基于极线约束的相位亚像素找对应点方法的基础之上，引入相位映射法，进而提出一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法及装置。

下面具体介绍这种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，结合图1和图2所示。所述方法基于所述三维成像系统，所述三维成像系统为三目结构，包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧。本发明实施例提供的三维成像系统中，成像装置为相机，投影装置为投影仪，图1中，相机位于所述投影仪1的左右两边，分别为左相机2和右相机3，被测物体置于左相机2和右相机3的视场和景深范围内；中间的投影仪1作为投影装置投射正弦或准正弦条纹光到被测物体表面，左相机2和右相机3作为成像装置采集经被测物体表面面形调制后的条纹图。

在执行这种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法之前，会对所述三维成像系统进行标定，从而获取第一标定数据和第二标定数据，所述第一标定数据用于代入相位映射公式中，从而估计出被测物体在第一成像装置坐标系下的空间三维点坐标的值X、Y、Z；所述第二标定数据中的R、T用于将被测物体的所述空间三维点坐标X、Y、Z转换到第二成像装置的坐标系中，还用于计算极线方程中的参数a，b，c的值，所述第二标定数据中的内部固定参数用于去畸变。具体地，相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据；标定出多项式系数a_i、b_i、c_i的值以便于计算X、Y、Z的值，上述公式中，为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X,Y,Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下的空间三维点坐标的值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括第一成像装置与第二成像装置位置的空间刚体变换：旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

结合图1和图2所示，所述方法包括：

步骤S1，利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；并利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图。

具体地，所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面。

更具体地，本发明实施例中，第一成像装置为左相机，第二成像装置为右相机，第一成像装置图像平面为左相机图像平面，第二成像装置图像平面为右相机图像平面；第一相位分布图和第一成像装置图像平面是在第一成像装置坐标系即左相机坐标系下，第二相位分布图和第二成像装置图像平面是在第二成像装置坐标系即右相机坐标系下；本发明实施例中的第一相位分布图上的点，是第一成像装置图像平面的点经过去畸变运算得到的，得到的点在第一成像装置的归一化平面上，所以第一相位分布图上的点在第一成像装置坐标系下三维坐标的z值为1；同理，本发明实施例中的第二相位分布图上的点，也是第二成像装置图像平面的点经过去畸变运算得到的，得到的点在第二成像装置的归一化平面上，所以第二相位分布图上的点在第二成像装置坐标系下三维坐标的z值为1。

具体地，所述投影仪投射一系列正弦或准正弦条纹光照射到被测物体表面，左相机和右相机同步采集被所述被测物体调制过的一系列条纹图像后，利用左相机采集到的一系列条纹图像通过解相位计算得到被测物体被相机采集到的每个点的相位值由所述相位值形成系统左相机的相位分布图；同理，利用右相机采集到的一系列条纹图像通过解相位计算得到被测物体被相机采集到的每个点的相位值由所述相位值形成系统左相机的相位分布图，本发明实施例提供的左、右相机获取的被测物体模型的左相机相位分布图IL和右相机相位分布图IR分别如图3-1、3-2所示。

进一步地，可以利用第一相位分布图中的每个点的相位值通过相位映射估计得到所述每个点在第一成像装置坐标系下的三维点坐标；也可以利用第二相位分布图中的每个点的相位值通过相位映射估计得到所述每个点在第二成像装置坐标系下的三维点坐标。

步骤S2，利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体在左相机坐标系下的空间三维点坐标。

具体地，由图1可知，在三维成像系统中可以利用左相机或右相机采集并经计算得到的被测物体相位分布图估计出被测物体的空间三维点坐标；若在此过程中是利用左相机对应的左相机相位分布图，那么估计出的空间三维点坐标则要投影到右相机对应的右相机相位分布图上作为参考对应点；若利用的是右相机对应的右相机相位分布图，则被投影相机则为左相机。在本发明实施例中，规定利用左相机采集并计算得到的左相机相位分布图估计空间三维点坐标；图1中第一、第二相位分布图所在的平面为左右相机的归一化平面。

所述步骤S2具体为：利用左相机相位分布图中的每个点的相位值和预置的第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在左相机坐标系下的空间三维点坐标的值X、Y、Z；

根据上述每个点估计出该点对应的被测物体的空间三维点坐标，所有估计出的被测物体空间三维点可以拟合成一个被测物体的三维像的虚拟模型，如图4所示为本发明实施例提供的被测物体模型通过相位映射，估计出的空间三维点坐标形成的被测物的三维效果图。

步骤S3，将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点。

具体地，所述步骤S3中的重投影过程分为两步：第一步，将估计的被测物体的空间三维点转换到第二成像装置坐标系中；第二步，将估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点投影到第二相位分布图所在的平面。

所述步骤S3具体为：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，并结合与第二相位分布图所在的平面的位置关系，将估计得到的空间坐标点投影到右相机相位分布图所在的平面，得到参考对应点；具体公式为：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标，为与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标。

步骤S4，根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定第二相位分布图所在平面上的极线的方程，在以所述某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的所述极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配。

进一步地，所述对应点与所述第一相位分布图中的所述某个点相对应。

上述步骤S4中，提到的所述极线方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1。

所述参考对应点与所述第一相位分布图中的坐标为相位值为的某个点相对应。

进一步地，在本发明中，对应点的查找并非与经典的对应点查找方法一样，在整个像平面上或沿整条极线查找对应点，而是在参考对应点附近一个像素大小的范围内所包含的极线上查找对应点。具体来说，左相机相位分布图所在的平面中某一点坐标值为：相位值为：所找的对应点：在右相机相位分布图所在的平面由计算得到的极线上，其中，该点在第二成像装置坐标系(即右相机坐标系)中的Z轴方向的坐标z_norr＝1；查找对应点的方法为：在参考对应点附近一个像素大小的范围内所包含的极线上，沿着极线查找和相位最相近的点并沿极线插值出最相近点的坐标。

本发明中，有了用相位映射估计被测物体空间三维坐标并投影的参考对应点只需要在参考对应点附近一个像素大小范围内的极线段上搜索与相近的相位值，沿极线相位插值即可计算出对应点的坐标，极大得缩小了查找的范围，缩短了查找时间；如图5所示为本发明实施例提供的对被测物体的模型用对应点匹配的方法重建的被测物的三维数字图像。

本发明还提供了一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其中，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述装置如图6所示，包括：相位信息获取模块1、空间三维点坐标估计模块2、参考对应点获取模块3和对应点匹配模块4。

所述相位信息获取模块1，用于利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；还用于利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图；

所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面。

所述空间三维点坐标估计模块2，用于利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；

相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据，公式中为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X、Y、Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值。

所述空间三维点坐标估计模块2具体用于：利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和所述第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值X、Y、Z。

所述参考对应点获取模块3，用于将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点；

所述参考对应点获取模块3具体用于：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T通过计算转换到第二成像装置坐标系中，再经计算得到与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标具体公式为：

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。

所述对应点匹配模块4，用于在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配。

所述极线的极线方程为：根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定的第二相位分布图所在平面上的极线方程。

所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括第一成像装置与第二成像装置之间的旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

所述对应点匹配模块4中，所述极线方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1。

所述对应点匹配模块4具体用于：在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，沿着所述极线查找和所述某个点的相位值最接近的点并沿极线插值求出该点的坐标该点即为所查找出的所述某个点的对应点，其中，该点在第二成像装置坐标系中的Z轴方向的坐标z_norr＝1。

所述某个点为第一相位分布图中的坐标为相位值为的点。

在本发明中，三维成像最重要的是对应点匹配，只有在两个成像装置找到特征相同的对应点，完成对应点匹配才能在计算机上重建物体模型。目前比较经典的对应点匹配方法中，对应点的查找均是在整个图像平面或者整条极线上搜索，需要查找的点数量多，范围广。具体到本发明实施例中，相机的像素为1280X1024个，若有效点个数为n。分以下三种情况进行讨论：1、若每个有效点在整个图像范围内找对应点，按照二叉树算法计算需要查找次，总共需要查找次；2、若每个有效点沿极线查找，经计算极线上有200-300个待查找点，按照二叉树算法计算需要至少查找次，总共至少需要查找次；3、若按照本发明的方法，在参考对应点附近约一个像素范围内的极线上找对应点，那么总的查找次数最多为2n次。由此在算法上很直观得体现出了本发明在三维成像中对应点匹配的优势，极大得减少了对应点查找的次数，节省了对应点搜索的时间，从而实现了三维成像系统对应点的快速匹配。

本发明结合经典的利用相位信息和极线约束两个条件找对应点的方法，创造一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，进而提出一种高效、高速、高精度的三维成像系统对应点匹配的方法。该方法既继承了三维成像系统的高精度的优势，又引入了相位映射估计被测物空间三维点坐标的方法，进而得到参考对应点来缩小对应点查找的范围，从而大幅度提升了三维成像和测量中对应点匹配的速度。

上述实施例方法中的全部或部分步骤是通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，其特征在于，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述方法包括：

步骤S1，利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；并利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图；

所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面；

步骤S2，利用所述第一相位分布图中每个点的相位值φ和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；

步骤S3，将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点；

步骤S4，根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定第二相位分布图所在平面上的极线的方程，在以所述某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的所述极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配。

2.如权利要求1所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，其特征在于，相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据，公式中为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X、Y、Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

3.如权利要求2所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和所述第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值X、Y、Z。

4.如权利要求2至3任一项所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再经计算得到与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标具体公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_r\\ Y_r\\ Z_r\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+T$

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。

5.如权利要求4所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述极线的方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1；

所述步骤S4具体为：在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，沿着所述极线查找和所述某个点的相位值最接近的点并沿所述极线插值求出该点的坐标该点即为查找出的所述某个点的对应点，其中，该点在第二成像装置坐标系中的Z轴方向的坐标z_norr＝1；

所述某个点为第一相位分布图中的坐标为相位值为的点。

6.一种相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其特征在于，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述装置包括：

相位信息获取模块，用于利用投影装置投影光到被测物体表面，并利用第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第一相位分布图；还用于利用第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算所述被测物体的每个点的相位值得到由所述被测物体的每个点的相位值组成的第二相位分布图；

所述第一相位分布图所在的平面为第一成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面，所述第二相位分布图所在的平面为第二成像装置图像平面去除镜头畸变之后得到的归一化平面；

空间三维点坐标估计模块，用于利用所述第一相位分布图中每个点的相位值和预置的第一标定数据，用相位映射估计出被测物体的空间三维点坐标；

参考对应点获取模块，用于将被测物体的所述空间三维点坐标重投影到所述第二相位分布图所在的平面上，得到所述第一相位分布图中的每个点在所述第二相位分布图所在平面上相对应的参考对应点；

对应点匹配模块，用于在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，根据所述某个点的相位值查找出该点的对应点，实现对应点匹配；

所述极线的极线方程为：根据所述第一相位分布图中的某个点的三维坐标和预置的第二标定数据确定的第二相位分布图所在平面上的极线方程。

7.如权利要求6所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其特征在于，相位映射公式为：

其中，多项式系数a_i、b_i、c_i的值为所述第一标定数据，公式中为所述第一相位分布图中的每个点的相位值，X、Y、Z为估计出的被测物体中每个点在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。

8.如权利要求7所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其特征在于，所述空间三维点坐标估计模块具体用于：利用所述第一相位分布图中的每个点的相位值和所述第一标定数据a_i、b_i、c_i，用相位映射公式

估计出被测物体在第一成像装置坐标系下空间三维点坐标的值X、Y、Z。

9.如权利要求7至8任一项所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其特征在于，所述参考对应点获取模块具体用于：将估计出的被测物体的所述空间三维点坐标X,Y,Z利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T通过计算转换到第二成像装置坐标系中，再经计算得到与所述第一相位分布图中的每个点相对应的参考对应点的坐标具体公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_r\\ Y_r\\ Z_r\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+T$

X_nor＝X_r/Z_r

Y_nor＝Y_r/Z_r

其中，X_r，Y_r，Z_r为估计出的被测物体在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。

10.如权利要求9所述的相位映射辅助三维成像系统快速对应点匹配的装置，其特征在于，所述对应点匹配模块中，所述极线方程为：

ax+by+c＝0，

极线的三个参数由公式：计算；其中，[T]_X为平移矩阵T的反对称矩阵，R为旋转矩阵，为第一相位分布图中某个点在第一成像装置坐标系中的三维坐标，其中，z_norl＝1；

所述对应点匹配模块具体用于：在以与第一相位分布图中某个点相对应的参考对应点为中心的一个像素大小范围内的极线上，沿着所述极线查找和所述某个点的相位值最接近的点并沿极线插值求出该点的坐标该点即为所查找出的所述某个点的对应点，其中，该点在第二成像装置坐标系中的Z轴方向的坐标z_norr＝1；

所述某个点为第一相位分布图中的坐标为相位值为的点。