CN110349257A - 一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了三维面形测量技术领域的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法。步骤包括：1，获取双目点云数据，并确定孔洞区域；2，根据所述孔洞区域周围每一列的相位和双目点云数据，计算出孔洞区域内相位‑高度映射参数；3，根据孔洞区域内相位‑高度映射参数，对孔洞区域相应列的单相机可见相位进行伪相位‑高度映射重建，依次完成孔洞区域内每一列的高度数据计算；4，将孔洞区域的高度数据转换到双目视觉点云坐标系，得到完整的点云。采用单个相机对双目孔洞可视相位数据进行伪相位‑高度映射重建，对缺失区域进行补全，得到完整的点云数据，计算过程简单，耗时少，效率高，成本低。

Description

一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法
技术领域
本发明涉及三维面形测量点云数据孔洞插补的技术领域，特别涉及一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法。
背景技术
条纹投影相位测量轮廓术广泛应用于航空航天、工业检测以及文物保护等各个领域，基于条纹投影的双目测量系统因其测量精度高而更受青睐。由于双目系统图像对应点的匹配是在两台相机测量视场的公共区域中进行的，而系统中两台相机的位置存在一定夹角，容易受待测物体表面的遮挡和阴影等因素影响，出现一幅图像中的相位值在另一幅图像中无法找到对应的匹配相位，也就无法获取该点的视差值，最终在物体重建的三维点云数据中对应出现缺失和孔洞，影响被测物体三维模型的完整性及重建质量。因此，对点云数据中的孔洞进行补全具有重要价值。
近年来，国内外许多学者对重建缺失区域点云数据进行了研究。Wang J在对点云数据作三角剖分的基础上，提出一种移动最小二乘方法插补点云的缺失部分，但在缺失区域形状复杂时效果不够理想。Dinesh C提出一种基于样本结构的三维点云插补方法，缺失区域较大时仍有较好结果，但算法复杂且存在大量迭代过程，耗时较多。雷彦章提出一种单双目结合的测量方法，分别将两个相机与投影仪组成两套单目系统对缺失区域进行补全，但是需要同时进行双目系统和单目系统标定及完成三套系统坐标系的统一。张利萍基于盖绍彦提出的相位-高度映射模型提出一种双目点云重建单目点云的方法，但在计算该映射模型参数时会引入误差。于瑾提出一种改进的最近点迭代(ICP)算法，提高了算法鲁棒性，将不同视角下的点云数据融合到相同坐标系下，但仍存在多次迭代耗时的问题。耿英楠提出了一种基于RGB矢量空间的三目立体匹配算法，改善了遮挡区域和其他一些原因导致的误匹配问题，但是增加了一台相机的成本，且计算过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供了一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，步骤包括：
S1，获取双目点云数据，并确定缺失待插补孔洞区域；
S2，根据孔洞区域周围每一列的相位和双目点云数据，计算出孔洞区域内相位-高度映射参数；
S3，根据孔洞区域内相位-高度映射参数，对缺失待插补孔洞区域相应列的单相机可见相位进行伪相位-高度映射重建，依次完成孔洞区域每一列的高度数据计算；
S4，将孔洞区域每一列的高度数据转换到双目视觉点云坐标系，得到完整的点云数据。
步骤S2具体是指：根据孔洞区域上外围和下外围每一列的相位，以及孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云数据，计算出孔洞区域内相位-高度映射参数：
S2的具体步骤包括：
S21，从双目点云数据中提取出孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值；
S22，从单目测量系统拍摄到的相位中提取出孔洞区域上外围和下外围每一列的相位；
S23，根据孔洞区域上外围和下外围每一列的相位、孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值、参考面数据对应高度和参考相位构建孔洞区域上下外围的中间高度参数和孔洞区域上下外围中间相位参数，参考面数据对应高度和参考相位在预先的双目测量系统内外参数标定时获取；
S24，将孔洞区域上下外围的中间高度参数和孔洞区域上下外围的中间相位参数代入相位-高度映射关系式，计算出孔洞区域上外围和下外围每一列对应的相位-高度映射参数，孔洞区域上外围和下外围每一列对应的相位-高度映射参数与孔洞区域内每一列对应的相位-高度映射参数相等。
孔洞区域上下外围的中间高度参数的计算公式为：
△h(i,j)＝hk(i,j)-h0(i,j)
孔洞区域上下外围的中间相位参数的计算公式为：
其中，为在预先的双目测量系统内外参数标定时获取的参考相位信息，h0(i,j)为在预先的双目测量系统内外参数标定时得到的高度信息，是从单目测量系统拍摄到的相位中提取出的孔洞区域上外围和下外围每一列的单相机相位，hk(i,j)是孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值，j是列参数，i是行参数。
相位-高度映射关系式为：
其中，△h(i,j)为孔洞区域上下外围的中间高度参数，为孔洞区域上下外围的中间高度参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
S3的步骤包括：
将单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位代入孔洞区域内中间相位参数计算公式，求出孔洞区域内的中间相位参数；
将孔洞区域内的中间相位参数，孔洞区域内相位-高度映射参数代入伪相位-高度映射关系式，计算出孔洞区域内每一列的高度中间参数；
将孔洞区域内每一列的高度中间参数代入孔洞区域内中间高度参数计算公式，求出孔洞区域内每一列的高度。
孔洞区域内中间相位参数计算公式为：
孔洞区域内中间高度参数计算公式为：
hd(i,j)＝△h'(i,j)+h0(i,j)
伪相位-高度映射关系式为：
其中，是单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位，为在预先的双目测量系统内外参数标定时获取的参考相位信息，h0(i,j)为在预先的双目测量系统内外参数标定时得到的高度信息，hd(i,j)是孔洞区域内每一列的高度值，△h'(i,j)是孔洞区域内每一列的高度中间参数，是孔洞区域内中间相位参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
双目点云数据的计算公式是：
其中，xc,yc,zc是双目点云数据三维坐标，d＝xleft-xright，d是物体表面同一点在左右像平面上的匹配点在图像列方向的像素坐标之差，xleft是物体表面同一点在左像平面上的图像横坐标，xright是物体表面同一点在右像平面上的图像横坐标，B为两相机光心间距离，f为相机有效焦距，物体表面同一点在左右像平面上纵坐标相等，yleft＝yright＝y。
单相机可见相位是左相机可见相位或右相机可见相位，右相机坐标系下的点云坐标与左相机坐标系下的点云坐标转换公式为：
其中，R为标定的双目系统外参旋转矩阵，T为标定的双目系统平移向量，为右相机坐标系下的点云坐标，为左相机坐标系下的点云坐标。
一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法的系统，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述缺失点云插补方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
根据单个相机对双目孔洞可视相位数据进行伪相位-高度映射重建，对缺失区域进行补全，得到完整的点云数据，计算过程简单，耗时少，效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法流程图；
图2为双目条纹投影三维测量系统的测试原理图；
图3为本发明实施例1中的基于双目条纹投影三维测量系统获取的存在孔洞的物体点云数据示意图；
图4为本发明实施例1中的双目条纹投影三维测量面具结果中孔洞实例示意图；
图5为本发明实施例1中对面具中的孔洞补全实例示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
双目条纹投影三维测量系统是一种依靠中间一个投影仪投射条纹图像到被测物体上，通过两个相机拍摄相应的变形条纹图，然后根据投影仪投射的光在物体表面上对应左右相机像素点，只要投影的光点能够被左右相机同时拍照就可以计算出被测物体被光照的点的三维数据，双目条纹投影三维测量系统的测试原理如图2所示，由图2可以看到，由于被测物体中间的突起，BC和DE部分只能够分别在左相机和右相机成像，不能被左右相机同时拍到，因此，BC和DE两个区域均不能根据双目条纹投影三维测量计算出三维数据，造成三维点云数据的孔洞问题。
因此，本发明提出了一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：
第一步：使用张正友平面标定法对双目条纹投影三维测量系统进行内外参数标定，获取两相机光心间距离极线B和相机有效焦距f。标定完成后由双目条纹投影三维测量系统对一个平面白板进行测量，得到其参考相位信息及高度信息h0(u,v)，(u，v为图像坐标)。
第二步，采用该双目测量系统，中间投影仪投射条纹，左右两个相机拍照，获取调制后的条纹图像，根据双目视觉成像模型计算出左右相机所拍摄的公共区域的三维坐标数据，即获取了双目点云数据。
双目视觉成像模型如式(1)所示：
式中d＝xleft-xright，即视差，是物体表面同一点在左右像平面上的匹配点在图像列方向的像素坐标之差；xleft是该点在左像平面上的图像横坐标，xright是该点在右像平面上的图像横坐标。对于极线校正后的左右两幅图像是行对准的，即图像纵坐标yleft＝yright＝y。两相机光心间距离为极线B，相机有效焦距为f，该参数均由第一步标定中获得。
第三步，将双目测量系统中的左相机与中间投影仪构成单目测量系统(投影仪投射条纹，单个相机拍摄条纹，本实施例以左相机为例，也可采用右相机)对被测物体进行投影和拍摄，以左相机坐标系为基准，获取左相机坐标系下的单目点云数据，并且获取单目测量系统拍摄到的相位并计算出被测点的高度hc(u,v)。
第四步，根据左右相机公共区域的三维坐标数据，确定缺失待插补孔洞区域。图3是基于条纹投影双目测量系统获取的存在孔洞的物体点云数据示意图，其中最上方第一排的点表示图像列坐标从1到N，j为列参数，j的取值为1，2，3…N，灰色点表示双目测量成功的三维点云对应像素位置，黑色点表示孔洞区域对应的像素点(从第四步开始，引入了列参数j，为了表述的统一，以下将各参数的图像坐标(u，v)替换为(i，j)，i为行参数，j为列参数)。
第五步，从左右相机公共区域的三维坐标数据中提取出缺失待插补孔洞区域周围的每一列的双目点云数据，并提取出缺失待插补孔洞区域周围每一列的双目点云高度值hk(i,j)用于计算相位-高度映射参数aj,bj,cj。本实施例以选取孔洞区域上外围和下外围区域为例，对本发明的方案进行说明，但孔洞区域周围范围的选取不限于此。
本实施例中，从左右相机公共区域的三维坐标数据中提取出缺失待插补孔洞区域上外围和下外围的每一列的双目点云数据，并提取出缺失待插补孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值hk(i,j)用于计算相位-高度映射参数aj,bj,cj。
其中需要进一步说明的是，孔洞区域所在列的区域中，孔洞区域上边界以上的区域，定义为孔洞区域上外围；孔洞区域下边界以下的区域，定义为孔洞区域下外围。
第六步，从单目测量系统拍摄到的相位中提取出孔洞区域上外围和下外围每一列的单相机相位并根据孔洞区域上外围和下外围的双目点云高度值hk(i,j)、参考面数据对应高度z0(i,j)和参考相位构造孔洞区域上外围和下外围的中间相位参数以及构造孔洞区域上外围和下外围的中间高度参数△h(i,j)，(j＝1,2,...,N)。△h(i,j)的计算公式如公式(2)所示，的计算公式如公式(3)所示。
△h(i,j)＝hk(i,j)-h0(i,j) (2)
其中，是孔洞区域上外围和下外围的中间相位参数，△h(i,j)是孔洞区域上外围和下外围的间高度参数，为第一步标定后得到的参考相位信息，h0(i,j)为第一步标定后得到的高度信息，是从单目测量系统拍摄到的相位中提取出的孔洞区域上外围和下外围每一列的单相机相位，hk(i,j)是孔洞区域上外围和下外围的双目点云高度值，j是列参数，i是行参数。
第七步，将孔洞区域上外围和下外围的中间相位参数和中间高度参数△h(i,j)代入相位-高度映射关系式，计算出孔洞区域上外围和下外围每一列对应的相位-高度映射参数aj,bj,cj。相位-高度映射关系式如公式(4)所示：
其中，△h(i,j)为所述孔洞区域上下外围的中间高度参数，为所述孔洞区域上下外围的中间高度参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
由于投影的是竖直的条纹，因此在每一列(行方向图像坐标)上相位变化较小，孔洞区域内相位-高度映射参数与孔洞区域上下外围相位-高度映射参数相同，即孔洞区域上外围和下外围每一列对应相位-高度映射参数aj,bj,cj，就是孔洞区域内每一列对应的相位-高度映射参数aj,bj,cj。
第八步，将孔洞区域内每一列对应的相位-高度映射参数aj,bj,cj，单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位代入公式(3)，求得其中，再将孔洞区域内每一列对应的相位-高度映射参数aj,bj,cj代入公式(4)，将公式(4)转换为公式(5)，由公式(5)求得孔洞区域内每一列的高度中间参数△h'(i,j)，再将公式(2)转换为公式(6)，计算出孔洞区域内每一列的高度值hd(i,j)。
hd(i,j)＝△h'(i,j)+h0(i,j) (6)
其中，是单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位，为在预先的双目测量系统内外参数标定时获取的参考相位信息，h0(i,j)为在预先的双目测量系统内外参数标定时得到的高度信息，hd(i,j)是孔洞区域内每一列的高度值，△h'(i,j)是孔洞区域内每一列的高度中间参数，是孔洞区域内中间相位参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
第九步：将孔洞区域高度hd(i,j)代入公式(1)计算出孔洞区域插补数据的x和y坐标值，得到双目视觉点云坐标系下完整的点云数据。
双目条纹投影三维测量系统队面具所测量的三维面形数据鼻尖两侧存在孔洞实例示意图如图4所示，对面具中的孔洞补全实例示意图如图5所示，对比图4和图5可以看出，孔洞区域全部补全，采用本发明的方法的应用效果较好。
特别的，因双目条纹投影三维测量系统所测数据是以左相机坐标系为原点的点云，故当相位-高度映射是基于右相机单视角下相位插补的高度时，需要将重建点云转换到左相机坐标系，得到统一坐标系下的完整点云，其右相机插补数据坐标转换如式(7)所示：
其中，R为第一步中标定的双目系统外参旋转矩阵，T为第一步中标定的双目系统平移向量。
实施例中还包括一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法的系统，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述缺失点云插补方法。

Claims (10)

1.一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，步骤包括：
S1，获取双目点云数据，并确定缺失待插补孔洞区域；
S2，根据所述孔洞区域周围每一列的相位和双目点云数据，计算出孔洞区域内相位-高度映射参数；
S3，根据所述孔洞区域内相位-高度映射参数，对缺失待插补孔洞区域相应列的单相机可见相位进行伪相位-高度映射重建，依次完成孔洞区域每一列的高度数据计算；
S4，将所述孔洞区域每一列的高度数据转换到双目视觉点云坐标系，得到完整的点云数据。
2.如权利要求1所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，步骤S2具体是指：根据孔洞区域上外围和下外围每一列的相位，以及孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云数据，计算出孔洞区域内相位-高度映射参数。
3.如权利要求2所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，S2的具体步骤包括：
S21，从所述双目点云数据中提取出孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值；
S22，从单目测量系统拍摄到的相位中提取出孔洞区域上外围和下外围每一列的相位；
S23，根据所述孔洞区域上外围和下外围每一列的相位、所述孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值、参考面数据对应高度和参考相位构建孔洞区域上下外围的中间高度参数和孔洞区域上下外围中间相位参数，所述参考面数据对应高度和参考相位在预先的双目测量系统内外参数标定时获取；
S24，将所述孔洞区域上下外围的中间高度参数和所述孔洞区域上下外围的中间相位参数代入相位-高度映射关系式，计算出孔洞区域上外围和下外围每一列对应的相位-高度映射参数，所述孔洞区域上外围和下外围每一列对应的相位-高度映射参数与孔洞区域内每一列对应的相位-高度映射参数相等。
4.如权利要求3所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，
所述孔洞区域上下外围的中间高度参数的计算公式为：
△h(i,j)＝hk(i,j)-h0(i,j)
所述孔洞区域上下外围的中间相位参数的计算公式为：
其中，为在预先的双目测量系统内外参数标定时获取的参考相位信息，h0(i,j)为在预先的双目测量系统内外参数标定时得到的高度信息，是从单目测量系统拍摄到的相位中提取出的孔洞区域上外围和下外围每一列的单相机相位，hk(i,j)是孔洞区域上外围和下外围每一列的双目点云高度值，j是列参数，i是行参数。
5.如权利要求3所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，所述相位-高度映射关系式为：
其中，△h(i,j)为所述孔洞区域上下外围的中间高度参数，为所述孔洞区域上下外围的中间高度参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
6.如权利要求1所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，S3的步骤包括：
将单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位代入孔洞区域内中间相位参数计算公式，求出孔洞区域内的中间相位参数；
将所述孔洞区域内的中间相位参数，所述孔洞区域内相位-高度映射参数代入伪相位-高度映射关系式，计算出孔洞区域内每一列的高度中间参数；
将所述孔洞区域内每一列的高度中间参数代入孔洞区域内中间高度参数计算公式，求出孔洞区域内每一列的高度。
7.如权利要求6所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，
所述孔洞区域内中间相位参数计算公式为：
所述孔洞区域内中间高度参数计算公式为：
hd(i,j)＝△h'(i,j)+h0(i,j)
所述伪相位-高度映射关系式为：
其中，是单目测量系统拍摄到的孔洞区域内的相位，为在预先的双目测量系统内外参数标定时获取的参考相位信息，h0(i,j)为在预先的双目测量系统内外参数标定时得到的高度信息，hd(i,j)是孔洞区域内每一列的高度值，△h'(i,j)是孔洞区域内每一列的高度中间参数，是孔洞区域内中间相位参数，aj,bj,cj为相位-高度映射参数，j是列参数，i是行参数。
8.如权利要求1-7任一所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，所述双目点云数据的计算公式是：
其中，xc,yc,zc是双目点云数据三维坐标，d＝xleft-xright，d是物体表面同一点在左右像平面上的匹配点在图像列方向的像素坐标之差，xleft是所述物体表面同一点在左像平面上的图像横坐标，xright是所述物体表面同一点在右像平面上的图像横坐标，B为两相机光心间距离，f为相机有效焦距，所述物体表面同一点在左右像平面上纵坐标相等，yleft＝yright＝y。
9.如权利要求8所述的一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法，其特征在于，所述单相机可见相位是左相机可见相位或右相机可见相位，右相机坐标系下的点云坐标与左相机坐标系下的点云坐标转换公式为：
其中，R为标定的双目系统外参旋转矩阵，T为标定的双目系统平移向量，为右相机坐标系下的点云坐标，为左相机坐标系下的点云坐标。
10.一种基于相位伪映射的双目测量缺失点云插补方法的系统，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行权利要求1-9所述任一项的方法。
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