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立体光学成像原理及立体照相
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虚拟现实中立体视觉的研究
一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图片合成方法

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计算机立体视觉技术综述
全三维成像方法
激光全息照相

有关立体成像技术的释疑——答立体爱好者问

 

 

计算机立体视觉技术综述


摘要:计算机立体视觉技术主要有双像合成法、莫尔条纹法、傅立叶变换轮廓法、位相测量法、三角测距法、聚焦法、飞行时间法和光谱法。分析了各种方法的基本原理和主要优缺点,提出了一种新的方法--光谱法,并对该方法作了分析介绍,讨论了该方法的特点。
一、引言

  自然界的物体都是三维的,人类通过两眼获得物体的三维立体信息。但一般的摄影系统只能把三维的物体以二维的形式保存、记录下来,同时丢掉大量的信息。计算机立体视觉指的就是运用计算机技术和光学手段在获取的一幅或多幅图像中还原出被摄物体的立体形状,获得三维数据值。
  由于计算机立体视觉技术在机器人视觉、医学整形和美容、工业产品的外观设计、三维轮廓测量、艺术雕塑、建筑等领域有着广泛的应用前景,所以它是当今国际上的热门课题之一。美国、日本、德国、加拿大等发达国家早在60年代末就开始投入大量资金进行这方面的研究,且提出了许多新的测量原理和方法[1~6]。我国在近几年也开始有一些研究成果[7~8]。本文就计算机立体视觉的各种方法进行总结,并重点对新近提出的光谱法计算机立体视觉技术作介绍。

二、几种立体视觉技术

  1.双像合成法
  系统用两个照相机对物体从两个不同角度获取两幅图像,如同人的两个眼睛一样。计算机通过对一个物点在两幅图像上不同的位置进行处理,得到物体的立体信息。该方法类似于人眼的体视功能,原理直观,但计算复杂。一般只选择物体的特征点,如角点、边界线进行计算。该方法只能应用于简单物体的场合。
  2.莫尔条纹法[1]
  自Meadows等1970年提出莫尔轮廓法以来,在此基础上提出了影像莫尔法、投影莫尔法、扫描莫尔法,以及这些方法的改进方法,使莫尔等高线三维测量技术不同程度地达到实用化程度。
  影像莫尔法:原理如图1所示,光源照射到置于被测物体上的主光栅,其影像投在物体上,物体上E与光栅上C点的高度差W为

        W=N×P/tan(α)+tan(β)       (1)

式中N为莫尔条纹的阶;如AD包含m条宽度为P的线对,AB包含n条,则N=m-n。影像莫尔法特点是原理简单,精度高,但由于制造面积较大的光栅很困难,故该方法只适用于小物体的测量。

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图1 影像莫尔法原理图

  投影莫尔法:这种方法是将光栅投射到被测物体上,然后在观察侧用第二个光栅观察物体表面的变形光栅像。这样就得到莫尔条纹。分析莫尔条纹就可以得到物体的深度信息。该方法的特点是适合于测量较大的物体。
  扫描莫尔法:其投影侧与投影莫尔法相同,但在观察侧不用光栅来形成莫尔条纹,而是用电子扫描光栅和变形像迭加生成莫尔等高线。它的优点是利用现代电子技术,可以很方便地改变扫描光栅栅距、位相等。生成不同位相的莫尔等高线条纹图像,便于实现计算机自动处理。其缺点是需要扫描机构,数据获取速度低、稳定性较差、对噪声敏感。
  3.傅里叶变换轮廓法
  该法以罗奇光栅产生的结构光场投影到待测三维物体表面,对结构光场进行傅里叶分析、滤波和逆傅里叶分析,就可以从变形图形中提取三维面形信息。该技术具有比传统莫尔技术更高的灵敏度,并全自动区分物体表面的起伏变化,对条纹阶次和内插数的设置没有要求,没有由光栅图形的高次谐波成分产生的假的莫尔条纹所引起的误差。
  傅里叶变换轮廓法的不足之处在于当测量斜率大的物体需要非常高的分辨率的图像设备和运算能力大的计算机。
  4.位相测量法[3]
  这是一种重要的三维成像方法,这种方法采用正弦光栅投影和相移技术,投影在物体上的光栅,根据物体的高度而产生变形,这个变形的光栅图像叫做2-D的条纹图。它包含了三维信息。变形光栅的光强一般形式为

        II(x,y)=I0{1+m(x,y)cos[Φ(x,y)+ΦI]}      (2)

式中II(x,y)为物体(x,y)点上的光强;I0(x,y)为背景光强;m(x,y)为系统对比度;ΦI为相移量(I=1,2,3);Φ(x,y)为相位。它是物体形状h(x,y)的函数,是需要求出的物理量。采用三相算法,即将Φ1=0,Φ2=2π/3,Φ3=4π/3代入上式,可得

      Φ(x,y)=arctan[squre(3)(I3-I2)/(2I1-I2-I3)]     (3)

  由于采用多帧图像,其特点是精度高,由于该法只需计算三个强度值和反正切函数,所以处理简单。缺点是不能消除条纹中高频噪声引起的误差。
  5.主动三角形法[7]
  其基本思路是利用照明中的几何信息帮助提取景物中的立体信息。我们知道,对于一个三角形,如果已知其中一条边和相应的二个角,则可以求出三角形中其他的边或角的值。主动三角形法中,一般把光源与摄像机之间的距离l作为已知量(基线),由光源投射到物体上的光线,与基线之间的夹角α可根据结构光的各自特性来决定,另一个角β,可通过物体的像在摄像机中的不同位置计算出来。主动三角形法除用上述结构光照明外,其他可能的结构光学方式还有:栅格法,圆形光条法,交叉线法,空间编码模板法等。
  过去普谝认为这类系统不够精确且速度慢,而今随着同步扫描方法的革新,此类系统被证明是精确、快速和紧密的。
  6.几何光学聚焦法[8]
  对薄透镜来说,已知焦距和像距即可求得物距。在焦距是可调的情况下,焦距在变化过程中,图像的某一部分处于最清晰位置,就可以很容易计算出这部分的距离(物距)。这种方法要求使焦距连续变化,因此需要昂贵、复杂的硬件,同时处理速度也很慢,因为在每个焦距位置都需要获取图像并对图像的各部分都进行分析。
  7.飞行时间法
  这种方法是基于三维面形对单光束产生的时间调制。例如,一个激光脉冲信号从激光器发出,经物体表面漫反射后,其中一部分漫反射光沿相反的路径回到接收器,检测光脉冲从发射到接收之间的时间延迟,就可以计算距离z。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面,就可以形成深度数据。这种方法原理简单,测距速度高,又可避免阴影和遮挡等问题,但对信号处理系统的时间分辨有较高要求。为了提高测量精度,实际的飞行时间测量系统往往采用时间调制光束,例如采用正弦调制的激光束,然后比较发射光束和接收光束之间的位相,计算出距离。

三、光谱法立体视觉技术

  这里我们提出一种全新的获取物体深度的概念――光谱法计算机立体视觉技术。线光源经光源波长渐变发生器产生类似于彩虹光谱带的面结构照明,照明系统投射一个光谱带到待测物体表面,通过距光源一定距离的彩色CCD摄像机接收后输入计算机,由计算机进行处理,快速再现物体的三维立体形状。
  光谱法的测量原理基于主动三角形成像法。由于在结构光照明设计中,采用光谱带照射,使得三维空间中的几何信息(即α角)与入射光波长(颜色)分别一一对应,这样我们可以通过一图像传感器(如彩色CCD)来获取待测物体的二维彩色图像,并对图像中的波长(颜色)信息进行颜色分析,并利用光谱照明系统的特点计算出所需的几何信息,进而根据一些简单的三角关系式,就可以得出待测物体面形的深度信息。
  光谱法成像系统是一个主动三角形成像系统,其中的几何与参数定义如图2所示

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图2 主动三角形成像系统

  图2中照明部分形成结构光,其中某条光带的色散角(α)与其波长(λ)具有关系式

        α=α(λ)       (4)

  对结构光的波长λ,我们可以通过分析其经过待测物体反射到彩色CCD摄像机上的颜色值得到。
  图中的Q点坐标(x,y,z)可通过简单的三角形公式求得

         g2501.gif (1087 字节)       (5)

式中α由(4)式给出;u,v为待测物体表面某点Q在CCD摄像机对应像素的x,y轴方向上的距离;f为摄影物镜的焦距;b为光源中心到CCD镜头光轴的垂直距离。
  相对于其它方法而言,光谱法主要存在下列特点:
  1.由于本方法不存在扫描过程,通过一幅图像就可以获取物体面形的三维信息,从理论上讲系统不存在处理速度(帧/s)上的局限。系统中三维图像数据的获取的速度主要取决于CCD摄像机的读取速度,随着目前CCD技术的日益成熟,系统处理速度可达每秒一千帧以上。因此本系统适用于各种高速的或实时发生的应用场合,例如:交通撞车事故或其他的撞击测试。
  2.不同于其他的结构光成像方法,本系统无需任何扫描装置,从而简化了系统结构设计,使系统更加稳定和便于安装。同时也扩大了系统的环境适应能力。
  3.系统中的部件,基本上都是使用现成的设备,如一台彩色CCD摄像机,一台计算机及与之配套的图像采集卡,再加上照明系统。整个系统的设计成本很低,研究开发的周期较短。
  4.当物体表面偏色时,若彩虹光纯度很好,CCD探测系统精度也很高,理论上讲系统仍可精确测得物体的三维信息(物体偏色使各种波长的光反射率不一致,会使反射光强度不一致,但不会造成反射光波长的改变)。但当被测物体偏色严重,对某种波长光反射率很低时测量精度会降低,有时甚至无法测量。对于无须高速测量的场合,我们可以事先通过投射白光的方法,来提高测量精度。先用白光照明获取待测物体本身的彩色图像,从而得到图像的二维灰度值。这样,由深度数据中我们可以获取物体的几何特性;而由灰度数据中我们可以得到物体的物理特性,诸如材料的色彩和强度特性。两种测量方式相辅相成,为计算机立体视觉的实现提供了更加简捷的途径。

四、结论

  计算机立体视觉是一门新兴、有着广阔应用前景的学科,本文所述的种种方法各有优缺点,适用于各种不同的被摄对象和应用场合。光谱法以其简洁、快速和高精度的特点,特别适合于要求快速、一次拍摄即再现立体的场合。随着光学技术和计算机技术的发展,立体视觉技术将不断进步,逐渐实用化,为国民生产和人民生活带来极大的方便。