TWI573984B - 圖像匹配系統及方法 - Google Patents

Description

圖像匹配系統及方法

本發明涉及一種圖像匹配系統及方法。

目前，結構光三維測量系統是一種迅速發展的技術。將結構光照射在物體上，利用攝像機拍到的圖片進行編碼和匹配是系統的重要部分，是獲得高精度三維測量的基礎。基於一維正弦光柵的相移解相位編碼方法，如格雷碼、多頻外差法等廣泛應用於各種掃描測量系統之中。一維正弦光柵只在一個方向有變化，解出相位後不能直接用相位匹配圖像，還需要外部條件，如極線約束。這樣給計算帶來很大的不便。

鑒於以上內容，有必要提供圖像匹配系統及方法，其可以在圖像匹配的時候不需要外部的約束就可以完成，而且計算速度也提高很多。

一種圖像匹配系統，其包括：接收模組，用於接收用戶光柵的頻率種類數、每種頻率光柵的週期數、及相移次數；投影模組，用於投影儀將M種不同頻率的光柵依次根據相移次數投影到待測物體的表面，並記錄在每種頻率及每次平移下由兩個攝像機各拍攝的N幅光柵圖像；光強計算模組，用於計算每個圖元點在每幅光柵圖像中的光強；相位主值計算模組，用於根據N步相移法計算每個圖元點在每種頻率光柵下的相位主值；相位計算模組，用於根據每個圖元點在M種不同頻率光柵下的相位主值計算每個圖元點的相位以得到第一相位灰度圖及第二相位灰度圖，所述第一相位灰度圖為第一個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖，所述第二相位灰度圖為第二個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖；匹配模組，用於匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的所有圖元點以得到所需的圖像。

一種圖像匹配方法，該方法包括：接收步驟，接收用戶輸入光柵的頻率種類數、每種頻率光柵的週期數、及相移次數；投影步驟，使投影儀將M種不同頻率的光柵依次根據相移次數投影到待測物體的表面，並記錄在每種頻率及每次平移下由兩個攝像機各拍攝的N幅光柵圖像；光強計算步驟，計算每個圖元點在每幅光柵圖像中的光強；相位主值計算步驟，根據N步相移法計算每個圖元點在每種頻率光柵下的相位主值；相位計算步驟，根據每個圖元點在M種不同頻率光柵下的相位主值計算每個圖元點的相位以得到第一相位灰度圖及第二相位灰度圖，所述第一相位灰度圖為第一個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖，所述第二相位灰度圖為第二個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖；匹配步驟，匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的所有圖元點以得到所需的圖像。

相較於習知技術，所述圖像匹配系統及方法使得每個圖元點對應唯一的一個相位，使每個圖元點的編碼都是唯一的，從而在圖像匹配的時候不需要外部的約束，直接利用圖元點的相位進行插值匹配就可以完成，同時也提高了計算速度。

1．．．測量設備

11．．．投影儀

10．．．攝像機

13．．．待測物體

12．．．工作臺

2．．．電腦

20．．．圖像匹配系統

200．．．接收模組

201．．．投影模組

202．．．光強計算模組

203．．．相位主值計算模組

204．．．相位計算模組

205．．．匹配模組

25．．．儲存器

26．．．微處理器

27．．．顯示設備

圖1是本發明圖像匹配系統的應用環境圖。

圖2是本發明圖像匹配系統的模組圖。

圖3是本發明圖像匹配方法的較佳實施例的流程圖。

圖4是本發明雙線性插值的示意圖。

如圖1所示，是本發明圖像匹配系統的應用環境圖。所述圖像匹配系統20安裝於電腦2中，所述電腦2與測量設備1通訊連接。所述測量設備包括投影儀11及位於投影儀11左右的兩個攝像機10。所述投影儀11用於將光柵投影到工作臺12上的待測物體13的表面。所述光柵在投影到待測物體13的表面後會發生變形。所述攝像機10用於拍攝光柵在待測物體13的表面上發生變形的圖像，攝像機10所拍攝的圖像記為光柵圖像。

所述投影儀11可根據測量的需要將M種不同頻率的光柵投影到待測物體13的表面。

所述圖像匹配系統20用於匹配兩個視角下的相位灰度圖以得到所需的圖像。所述每個相位灰度圖被數位化為P*Q個圖元點，每個圖元點的圖元值為圖元點的相位。在M種不同頻率的光柵下，每個圖元點對應M個不同的絕對相位。但所述每個圖元點只有一個相位。所述圖元點的相位為圖元點在頻率最大的光柵下對應的絕對相位。

所述相位灰度圖包括第一相位灰度圖及第二相位灰度圖。所述第一相位灰度圖由位於投影儀11左面的攝像機10所拍攝的光柵圖像計算而得到的相位灰度圖。所述第二相位灰度圖由位於投影儀11右面的攝像機10所拍攝的光柵圖像計算而得到的相位灰度圖。

圖元點在每種頻率的光柵下對應的絕對相位是根據圖元點在每種頻率的光柵下的相位主值計算得到的。所述圖元點在每種頻率光柵下對應的絕對相位的計算步驟在後續詳述。

所述圖元點在每一種頻率光柵下的相位主值由該圖元點在每一種頻率光柵下所對應的N幅光柵圖像根據N步相移法計算得到的。在每種頻率的光柵下，每個圖元點對應N幅光柵圖像。第一相位灰度圖中的每個圖元點在每種頻率光柵下所對應的N幅光柵圖像包括每種頻率的光柵投影到待測物體13上時，位於投影儀11左面的攝像機10所拍攝的N幅光柵圖像。第二相位灰度圖中每個圖元點在每種頻率光柵下所對應的N幅光柵圖像包括每種頻率的光柵投影到待測物體13上時，位於投影儀11右面的攝像機10所拍攝的N幅光柵圖像。所述N步相移法將在後續中詳述。

在本實施例中，在M取3，N取4的情況下，在第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的每個圖元點均對應一個相位、三個絕對相位及三個相位主值。

如圖2所示，是本發明光柵圖像匹配系統的模組圖。在本實施例中，所述光柵圖像匹配系統20包括接收模組200、投影模組201、光強計算模組202、相位主值計算模組203、相位計算模組204及匹配模組205。本發明所稱的模組是指一種能夠被微處理器26所執行並且能夠完成固定功能的一系列電腦程式段，其存儲在儲存器25中。在本實施例中，關於各模組的功能將在圖3的流程圖中具體描述。

如圖3所示，是本發明光柵圖像匹配方法的較佳實施例的流程圖。根據不同的需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略。

步驟S10，接收模組200接收用戶輸入光柵的頻率種類數、每種頻率光柵的週期數、及相移次數N。

所述光柵的頻率種類數為所採用的光柵的幾種不同的頻率的數量。在本實施例中，採用三種不同頻率的光柵依次投影到待測物體13的表面。

所述相移次數為在應用N步相移法計算圖元點在每種頻率光柵下的相位主值時N的取值。所述N步相移法指當光柵在柵線的垂直方向上平移柵距的1/N時，對應的光柵圖像中每個圖元點的相位將移動2π/N。在N步相移法中，當投影儀11等距離平移N－1次時，左右兩個攝像機10各會拍攝N幅光柵圖像。在本實施例中，N取4，即採用四步相移法。關於N步相移法的應用將在後續詳述。

步驟S11，投影模組201控制投影儀11將M種不同頻率的光柵依次根據相移次數投影到待測物體13的表面，並記錄在每一種頻率及每一次平移下由兩個攝像機10各拍攝的N幅光柵圖像。在本實施例，M取3，N取4，在每種頻率的光柵下，投影儀11會移動三次位置將光柵投影到待測物體13的表面。即每個圖元點在每種頻率的光柵下對應四幅光柵圖像，左右兩個攝像機10各拍攝四幅光柵圖像。

步驟S12，光強計算模組202計算每個圖元點在每幅光柵圖像中的光強。詳細地，在第m種頻率的光柵下，圖元點在第i幅光柵圖像中的光強為：

，其中a為係數，x，y為圖元點的在光柵圖像中的橫、縱座標，為第m種光柵的週期數。在本實施例中，對每個圖元點而言，在每種頻率的光柵下，光強計算模組202需計算圖元點在該頻率的光柵對應的四幅光柵圖像中的光強。其中，m和i是大於0的整數，mM，iN。

步驟S13，相位主值計算模組203根據N步相移法計算圖元點在每一種頻率光柵下的相位主值。根據N步相移法的原理，圖元點在第m種頻率的光柵下的相位主值。在本實施例中，當為四步相移法時，圖元點在第m種頻率的光柵下的相位主值，其中、、及是根據光強計算公式計算得到的。

步驟S14，相位計算模組204根據圖元點在M種不同頻率的光柵下的相位主值計算每個圖元點的相位。當兩個相位灰度圖中的所有圖元點的相位計算完畢後即可得到第一相位灰度圖及第二相位灰度圖。

詳細地，所述每個圖元點的相位為圖元點在頻率最大的光柵下的絕對相位。所述M種不同頻率的光柵的頻率從小到大依次為第一種頻率、第二種頻率…及第M種頻率。圖元點在第一種頻率、第二種頻率…及第M種頻率光柵下的相位主值依次為，…。即計算出圖元點在第M種頻率光柵下的絕對相位即為圖元點的相位，計算步驟如下：

由於第一種頻率的光柵的頻率最小，則第一種頻率的光柵週期數最大，即圖元點在第一種頻率光柵下的絕對相位為其相位主值。

所述圖元點在第二種頻率光柵下的絕對相位為圖元點在第一種頻率光柵下的絕對相位及圖元點在第二種頻率光柵下的相位主值疊加得到的。所述，依次類推可以算出所述圖元點在第M種頻率光柵下的絕對相位為圖元點在第M-1種頻率光柵下的絕對相位及第M種頻率光柵下的相位主值疊加得到的。所述。所述表示對所算的結果取整。

步驟S15，匹配模組205匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的所有圖元點以得到所需的圖像。

詳細地，（1）若第一相位灰度圖的任意一個圖元點的相位為，在第二相位灰度圖中找到四個位置相鄰的圖元點，且四個圖元點的相位分別為、、、，滿足：，，，，如圖4所示，設在第二相位灰度圖中，相位為的圖元點的座標為，那麼與該相位為的圖元點的位置相鄰的相位為、、的圖元點對應的座標為、、；

（2）利用雙線性插值計算出在第二相位灰度圖中與第一相位灰度圖中相位為的圖元點相匹配的圖元點的座標。

如圖4所示，在第二相位灰度圖中與第一相位灰度圖中相位相匹配的相位的圖元點座標為：

。

透過本發明，所述圖像匹配系統及方法，採用二維正弦光柵，每個圖元點對應唯一的一個相位，使每個圖元點的編碼都是唯一的。在圖像匹配的時候不需要外部的約束，直接利用圖元點的相位進行插值匹配就可以完成，同時也提高了計算速度。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

2．．．電腦

20．．．圖像匹配系統

200．．．接收模組

201．．．投影模組

202．．．光強計算模組

203．．．相位主值計算模組

204．．．相位計算模組

205．．．匹配模組

25．．．儲存器

26．．．微處理器

27．．．顯示設備

Claims (12)

1. 一種圖像匹配系統，該系統包括：
   接收模組，用於接收用戶輸入光柵的頻率種類數、每種頻率光柵的週期數、及相移次數N；
   投影模組，用於投影儀將M種不同頻率的光柵依次根據相移次數投影到待測物體的表面，並記錄在每種頻率及每次平移下由兩個攝像機各拍攝的N幅光柵圖像；
   光強計算模組，用於計算每個圖元點在每幅光柵圖像中的光強；
   相位主值計算模組，用於根據N步相移法計算每個圖元點在每種頻率光柵下的相位主值；
   相位計算模組，用於根據每個圖元點在M種不同頻率光柵下的相位主值計算每個圖元點的相位以得到第一相位灰度圖及第二相位灰度圖，所述第一相位灰度圖為第一個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖，所述第二相位灰度圖為第二個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖；
   匹配模組，用於匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的所有圖元點以得到所需的圖像。
2. 根據申請專利範圍第1項之圖像匹配系統，在第m種頻率的光柵下，圖元點在第i幅光柵圖像中的光強為：
   
   其中a為係數，x，y為圖元點在光柵圖像中的橫、縱座標，為第m種光柵的週期數，m和i是大於0的整數，mM，iN。
3. 根據申請專利範圍第2項之圖像匹配系統，所述圖元點在第m種頻率的光柵下的相位主值：
   。
4. 根據申請專利範圍第1項之圖像匹配系統，每個圖元點的相位為圖元點在頻率最大的光柵下的絕對相位。
5. 根據申請專利範圍第4項之圖像匹配系統，所述M種不同頻率的光柵按照頻率的大小從小到大依次為頻率為的光柵、頻率為的光柵…及頻率為的光柵，圖元點在頻率、頻率…及頻率光柵下的相位主值依次為，…；
   頻率為的光柵的週期數最大，則圖元點在頻率為光柵下的絕對相位為其相位主值；
   所述圖元點在頻率光柵下的絕對相位為圖元點在頻率光柵下的絕對相位及圖元點在頻率光柵下的相位主值疊加得到的，所述；
   所述圖元點在頻率為的光柵下的絕對相位為圖元點在頻率為光柵下的絕對相位及頻率為光柵下的相位主值疊加得到的，所述，所述表示對所算的結果取整。
6. 根據申請專利範圍第4項之圖像匹配系統，所述匹配模組匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖的步驟包括：
   若第一相位灰度圖的任意一個圖元點的相位為，在第二相位灰度圖中找到四個位置相鄰的圖元點，且四個圖元點的相位分別為、、、，滿足：，，，；
   利用雙線性插值計算出在第二相位灰度圖中與相位為的圖元點相匹配的圖元點的座標；
   設相位為的圖元點的座標為，則與相位相匹配的相位的圖元點座標為：
   
   。
7. 一種圖像匹配方法，該方法包括：
   接收步驟，接收用戶輸入光柵的頻率種類數、每種頻率光柵的週期數、及相移次數N；
   投影步驟，投影儀將M種不同頻率的光柵依次根據相移次數投影到待測物體的表面，並記錄在每種頻率及每次平移下由兩個攝像機各拍攝的N幅光柵圖像；
   光強計算步驟，計算每個圖元點在每幅光柵圖像中的光強；
   相位主值計算步驟，根據N步相移法計算每個圖元點在每種頻率光柵下的相位主值；
   相位計算步驟，根據每個圖元點在M種不同頻率光柵下的相位主值計算每個圖元點的相位以得到第一相位灰度圖及第二相位灰度圖，所述第一相位灰度圖為第一個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖，所述第二相位灰度圖為第二個攝像機所拍攝的光柵圖像計算得到的相位灰度圖；
   匹配步驟，匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖中的所有圖元點以得到所需的圖像。
8. 根據申請專利範圍第7項之圖像匹配方法，在第m種頻率的光柵下，圖元點在第i幅光柵圖像中的光強為：
   
   其中a為係數，x，y為圖元點在光柵圖像中的橫、縱座標，為第m種光柵的週期數，m和i是大於0的整數，mM，iN。
9. 根據申請專利範圍第8項之圖像匹配方法，所述圖元點在第m種頻率的光柵下的相位主值：
   。
10. 根據申請專利範圍第7項之圖像匹配方法，每個圖元點的相位為圖元點在頻率最大的光柵下的絕對相位。
11. 根據申請專利範圍第10項之圖像匹配方法，所述M種不同頻率的光柵按照頻率的大小從小到大依次為頻率為的光柵、頻率為的光柵…及頻率為的光柵，圖元點在頻率、頻率…及頻率光柵下的相位主值依次為，…；
    頻率為的光柵的週期數最大，則圖元點在頻率為光柵下的絕對相位為其相位主值；
    所述圖元點在頻率光柵下的絕對相位為圖元點在頻率光柵下的絕對相位及圖元點在頻率光柵下的相位主值疊加得到的，所述；
    所述圖元點在頻率為的光柵下的絕對相位為圖元點在頻率為光柵下的絕對相位及頻率為光柵下的相位主值疊加得到的，所述，所述表示對所算的結果取整。
12. 根據申請專利範圍第10項之圖像匹配方法，所述匹配第一相位灰度圖及第二相位灰度圖的步驟包括：
    若第一相位灰度圖的任意一個圖元點的相位為，在第二相位灰度圖中找到四個位置相鄰的圖元點，且四個圖元點的相位分別為、、、，滿足：，，，；
    利用雙線性插值計算出在第二相位灰度圖中與相位為的圖元點相匹配的圖元點的座標；
    設相位為的圖元點的座標為，則與相位相匹配的相位的圖元點座標為：
    
    。