CN110634180A - 一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法 - Google Patents

一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，包括以下步骤：(1)确定不同物体的感兴趣区域，将每个感兴趣区域中的对象作为目标；(2)采用高速跟踪算法‑核相关滤波器对目标进行单独跟踪，并在捕获图像中识别出运动后的目标区域；(3)利用运动前和运动后目标的区域，获得每个对象运动的旋转矩阵和平移向量；(4)将尺度不变特征变换算法用于跟踪区域，得到相应的特征点；(5)利用目标运动与相位值的关系，用运动信息的重建模型消除运动引起的误差；(6)利用N步相移轮廓术得到物体上的条纹图案，求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构；本发明具有可对多个不同运动的对象进行重构，重构精度高的优点。

Description

一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法
技术领域
本发明涉及三维重构技术领域，尤其涉及一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法。
背景技术
相移轮廓术(PSP)是目前最常用的三维重构技术之一，PSP具有精度高、鲁棒性强等优点，常用于三维形状测量中，其典型结构包括一台摄像机和一台投影仪，投影仪将多个已知相移的条纹图案(通常至少三个)投射到物体表面，然后，相机捕获从物体表面反射的条纹图案，利用多个条纹图的强度值，恢复相位图，并且通过条纹图案中存在的相位信息来计算物体表面的高度信息，传统PSP原理：对于N步PSP，从参考平面和物体上获取的条纹图案可以分别表示如下：
Figure BDA0002170097830000011
和
Figure BDA0002170097830000012
其中n＝1，2，3,……,N；N为条纹图案的数量；
Figure BDA0002170097830000013
为参考平面上的第n个条纹图案；
Figure BDA0002170097830000014
为物体上的第n个条纹图案；a为环境光，b为正弦条纹图案强度的幅值；φr(x,y)为参考平面上的相位值；φ0(x,y)为物体表面上的相位值。
参考平面和物体的相位图可以通过以下公式计算得到
Figure BDA0002170097830000015
和
Figure BDA0002170097830000021
其中φ(x,y)为参考平面上的相位值；Φ(x,y)为由物体高度引起的参考平面和物体之间的相位差；基于正确的相位信息，可以在系统校准之后成功地重构对象。
从公式(4)可以看出，采用多个条纹图案来恢复相位值，在测量过程中，物体需要保持稳定，若物体在捕获到的条纹图案之间发生移动，则会引入误差，从而导致错误的重构结果，若物体在捕获过程中发生运动，在传统的PSP中会产生两个问题：(1)不同条纹图案中的物体位置不匹配；(2)对象上同一点的相移是未知的；当用传统的PSP重构运动物体时会引入误差，申请人已经通过将运动信息引入重建模型，消除了二维运动所引起的误差，实现了对多个运动物体的重构(Lei Lu,Zhaoyi Jia,Yinsen Luan,JiangtaoXi.Reconstruction of isolated moving objects with high 3D frame rate based onphase shifting profilometry.Optics Communications,2018.),但是，这个方法需要多个对象具有相同的运动，而不能对多个具有不同运动的对象进行重构。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，该方法可以对多个具有不同运动的对象进行重构。
本发明的目的是这样实现的：一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，包括以下步骤：
(1)确定不同物体的感兴趣区域，将每个感兴趣区域中的对象作为目标，以跟踪之后捕获的条纹图案中对象的移动；
(2)采用高速跟踪算法-核相关滤波器(KCF)对目标进行单独跟踪，并在捕获图像中识别出运动后的目标区域；
(3)利用运动前和运动后目标的区域，获得描述每个对象运动的旋转矩阵和平移向量；
(4)将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用于跟踪区域，得到相应的特征点；
(5)利用目标运动与相位值之间的关系，采用运动信息的重建模型消除运动引起的误差；
(6)利用N步相移轮廓术得到物体上的条纹图案，求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构。
所述的步骤(1)中没有发生运动物体和运动后物体的条纹图案分别表示如下：
Figure BDA0002170097830000031
和
其中n＝1，2，3,……,N；N为条纹图案的数量；
Figure BDA0002170097830000033
为物体上的第n个条纹图案；a为环境光，b为正弦条纹图案强度的幅值；φ0(x,y)为物体表面上的相位值；Φ(f(x,y),g(x,y))为点(x,y)运动后的相位差。
所述的步骤(3)中每个对象运动的旋转矩阵和平移向量的计算过程如下：
假设对象在x-y平面上执行二维运动，点(x，y)将按照下面的关系移动到点(u，v)，
Figure BDA0002170097830000034
其中R,
Figure BDA0002170097830000035
T和
Figure BDA0002170097830000036
被称为描述(x，y)和(u，v)之间关系的旋转矩阵和平移向量，它们由下式给出：
Figure BDA0002170097830000037
Figure BDA0002170097830000038
(R,T)和
Figure BDA0002170097830000039
之间的关系可以由下式表达：
Figure BDA00021700978300000310
所述的步骤(6)中物体上的条纹图案表示如下：
Figure BDA0002170097830000041
其中I′1(x,y)为第一个原始的条纹图案。
所述的步骤(6)中包裹相位的计算公式如下：
Figure BDA0002170097830000042
其中
Figure BDA0002170097830000043
Figure BDA0002170097830000044
Figure BDA0002170097830000045
Figure BDA0002170097830000046
本发明产生的有益效果：本发明公开了一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，由于物体具有不同的运动，多个对象可以具有不同的运动，应首先确定感兴趣的区域，然后分别对目标进行单独跟踪，并得到描述运动的旋转矩阵和平移向量，利用目标运动与相位值之间的关系，采用运动信息的重建模型消除运动引起的误差，最后通过将运动信息引入重构模型，分别恢复相位图并对多个目标进行重构，通过实验验证该方法的有效性。
附图说明
图1为采用KCF方法的跟踪结果图，其中，(a)为无条纹的纯物体图像；(b)和(c)为要跟踪的感兴趣区域图；(d)和(e)为运动后的跟踪区域图。
图2为采用SIFT方法的跟踪结果图。
图3为按顺序依次捕获到的三个条纹图案，其中，(a)为第一个捕获的条纹图案；(b)为第二个捕获的条纹图案；(c)为第三个捕获的条纹图案。
图4为跟踪和匹配的结果图，其中，(a)为跟踪对象；(b)为跟踪结果图；(c)为通过SIFT算法获得的特征点图。
图5为采用传统方法的重构结果图。
图6为图5的网格显示图。
图7为采用基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法的重构结果图。
图8为图7的网格显示图。
具体实施方式
实施例1
一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，包括以下步骤：
(1)确定不同物体的感兴趣区域，将每个感兴趣区域中的对象作为目标，以跟踪之后捕获的条纹图案中对象的移动；
(2)采用高速跟踪算法-核相关滤波器(KCF)对目标进行单独跟踪，并在捕获图像中识别出运动后的目标区域；
(3)利用运动前和运动后目标的区域，获得描述每个对象运动的旋转矩阵和平移向量；
(4)将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用于跟踪区域，得到相应的特征点；
(5)利用目标运动与相位值之间的关系，采用运动信息的重建模型消除运动引起的误差；
(6)利用N步相移轮廓术得到物体上的条纹图案，求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构。
由于多个对象具有不同的运动，因此应单独跟踪这些对象，然后，检索每个对象的旋转矩阵和平移向量，为了单独跟踪物体的运动，首先需要确定不同物体的感兴趣区域，基于被测对象的图像，如图1(a)所示，在重构前手动设置感兴趣区域，如图1(b)和图1(c)所示，矩形中的对象是我们希望重构的区域，然后，将每个矩形中的对象作为目标，以跟踪之后捕获的条纹图案中对象的移动，采用高速跟踪算法-核相关滤波器(KCF)对目标进行跟踪，并在其他捕获图像中识别出运动后的目标区域，如图1(d)和图1(e)所示，利用运动前和运动后目标的区域，可以检索描述运动的旋转矩阵和平移向量，将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用于跟踪区域，图2显示了SIFT方法的匹配结果，可得到相应的特征点，该方法计算速度快，定位精度高。
为了计算运动物体的相位图，第一个任务是描述物体的运动，假设对象在x-y平面上执行二维运动，点(x，y)将按照下面的关系移动到点(u，v)，
其中R,T和
Figure BDA0002170097830000063
被称为描述(x，y)和(u，v)之间关系的旋转矩阵和平移向量，它们由下式给出：
Figure BDA0002170097830000064
Figure BDA0002170097830000065
(R,T)和
Figure BDA0002170097830000066
之间的关系可以由下式表达：
Figure BDA0002170097830000067
由于物体表面的形状不变，运动后物体表面的高度分布变为：
h′(u,v)＝h(x,y)＝h(f(u,v),g(u,v)) (9)
其中
f(u,v)＝r11u+r12v+t1，g(u,v)＝r21u+r22v+t2 (10)
在不丧失一般性的情况下，(u,v)可以被(x,y)替代，得到:
h′(x,y)＝h(f(x,y),g(x,y)) (11)
没有发生运动的物体上的条纹图案可以用公式(2)描述，因此，运动后物体的条纹图案可以表示为：
Figure BDA0002170097830000068
其中Φ(f(x,y),g(x,y))为点(x,y)运动后的相位差。
由公式(12)可得
Figure BDA0002170097830000071
其中
Figure BDA0002170097830000072
对于N步PSP，可以得到物体上的条纹图案如下：
Figure BDA0002170097830000073
其中I′1(x,y)为第一个原始的条纹图案。求解公式(15)可以得到包裹相位
Figure BDA0002170097830000074
其中
Figure BDA0002170097830000075
Figure BDA0002170097830000076
Figure BDA0002170097830000078
利用物体上的条纹图案求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构，本发明所提供的基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法可以对多个具有不同运动的对象进行重构，重构精度高。
实施例2
一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，包括以下步骤：
(1)确定不同物体的感兴趣区域，将每个感兴趣区域中的对象作为目标，以跟踪之后捕获的条纹图案中对象的移动；
(2)采用高速跟踪算法-核相关滤波器(KCF)对目标进行单独跟踪，并在捕获图像中识别出运动后的目标区域；
(3)利用运动前和运动后目标的区域，获得描述每个对象运动的旋转矩阵和平移向量；
(4)将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用于跟踪区域，得到相应的特征点；
(5)利用目标运动与相位值之间的关系，采用运动信息的重建模型消除运动引起的误差；
(6)利用N步相移轮廓术得到物体上的条纹图案，求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构。
所述的步骤(1)中没有发生运动物体和运动后物体的条纹图案分别表示如下：
和
Figure BDA0002170097830000082
其中n＝1，2，3,……,N；N为条纹图案的数量；
Figure BDA0002170097830000083
为物体上的第n个条纹图案；a为环境光，b为正弦条纹图案强度的幅值；φ0(x,y)为物体表面上的相位值；Φ(f(x,y),g(x,y))为点(x,y)运动后的相位差。
所述的步骤(3)中每个对象运动的旋转矩阵和平移向量的计算过程如下：
假设对象在x-y平面上执行二维运动，点(x，y)将按照下面的关系移动到点(u，v)，
Figure BDA0002170097830000084
其中R,
Figure BDA0002170097830000085
T和
Figure BDA0002170097830000086
被称为描述(x，y)和(u，v)之间关系的旋转矩阵和平移向量，它们由下式给出：
Figure BDA0002170097830000092
(R,T)和
Figure BDA0002170097830000093
之间的关系可以由下式表达：
Figure BDA0002170097830000094
所述的步骤(6)中物体上的条纹图案表示如下：
Figure BDA0002170097830000095
其中I′1(x,y)为第一个原始的条纹图案。
所述的步骤(6)中包裹相位的计算公式如下：
Figure BDA0002170097830000096
其中
Figure BDA0002170097830000097
Figure BDA0002170097830000098
Figure BDA00021700978300000910
为了同时获得运动信息和相位信息，采用彩色摄像机并投影出红色条纹图案，在捕获的图像中，红色通道中的条纹图案用于相位恢复，同时，利用蓝色通道中没有条纹的纯物体图像对目标进行跟踪。如图3所示，测量两个物体(一个台阶和一个圆柱体)并采用三步PSP，物体在二维平面内任意运动，用KCF算法对目标进行跟踪，并通过SIFT算法得到相对应的点，图3(a)-(c)是依次捕获到的三个条纹图案，台阶部分从第一个条纹图案(图3(a))逆时针旋转4度到第二个条纹图案(图3(b))；在第二个条纹图案和第三个条纹图案之间沿顺时针方向旋转2度(图3(c))；对于圆柱体部分，它从第一个条纹图案向右移动40个像素，向下移动40个像素到第二个条纹图案；从第二个条纹图案向左移动10个像素，向下移动30个像素到第三个条纹图案。
图4(a)-(b)显示了移动跟踪结果，图4(c)显示了通过SIFT算法获得的特征点，首先利用传统的相移轮廓仪对目标进行重构，结果如图5和图6所示，很明显，结果中引入了误差，图7和图8显示了利用本发明所提供方法的重构结果，得到正确相位图，物体被成功重构，证明了该方法的有效性。

Claims (5)

1.一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)确定不同物体的感兴趣区域，将每个感兴趣区域中的对象作为目标，以跟踪之后捕获的条纹图案中对象的移动；
(2)采用高速跟踪算法-核相关滤波器对目标进行单独跟踪，并在捕获图像中识别出运动后的目标区域；
(3)利用运动前和运动后目标的区域，获得描述每个对象运动的旋转矩阵和平移向量；
(4)将尺度不变特征变换算法应用于跟踪区域，得到相应的特征点；
(5)利用目标运动与相位值之间的关系，采用运动信息的重建模型消除运动引起的误差；
(6)利用N步相移轮廓术得到物体上的条纹图案，求得物体的包裹相位，分别恢复相位图并对多个目标进行重构。
2.如权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，其特征在于：所述的步骤(1)中没有发生运动物体和运动后物体的条纹图案分别表示如下：
和
Figure FDA0002170097820000012
其中n＝1，2，3,……,N；N为条纹图案的数量；
Figure FDA0002170097820000013
为物体上的第n个条纹图案；a为环境光，b为正弦条纹图案强度的幅值；为物φ0(x,y)体表面上的相位值；Φ(f(x,y),g(x,y))为点(x,y)运动后的相位差。
3.如权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，其特征在于：所述的步骤(3)中每个对象运动的旋转矩阵和平移向量的计算过程如下：
假设对象在x-y平面上执行二维运动，点(x，y)将按照下面的关系移动到点(u，v)，
Figure FDA0002170097820000014
其中R,
Figure FDA0002170097820000015
T和
Figure FDA0002170097820000016
被称为描述(x，y)和(u，v)之间关系的旋转矩阵和平移向量，它们由下式给出：
Figure FDA0002170097820000021
Figure FDA0002170097820000022
(R,T)和
Figure FDA0002170097820000023
之间的关系可以由下式表达：
Figure FDA0002170097820000024
4.如权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，其特征在于：所述的步骤(6)中物体上的条纹图案表示如下：
其中I′1(x,y)为第一个原始的条纹图案。
5.如权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的多运动物体三维重构方法，其特征在于：所述的步骤(6)中包裹相位的计算公式如下：
Figure FDA0002170097820000026
其中
Figure FDA0002170097820000027
Figure FDA0002170097820000031
Figure FDA0002170097820000032
Figure FDA0002170097820000033
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