一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法及装置，其方法包括如下步骤：投影条纹至待测物体表面，获取待测物体的EPI图片；对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段；从所述线性特征明显的线段中识别出属于同一特征点的共线线段；根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标。本发明通过对投影至物体表面的条纹结构光进行条纹分析，并利用滤波和数学分析方法去除噪声，优化基于结构照明的EPI重建结果从而来提高三维测量结果的准确度，因此在精确度、稳定性和效率上都有了一定程度的提升。

说明书

技术领域

本发明涉及图像测量方法，特别涉及一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法及装置。

背景技术

随着信息技术的飞速发展和人工智能浪潮的兴起，智能制造、无人驾驶、机器视觉等新兴领域正在蓬勃发展，然而，这些技术的实现都需要依靠准确的深度信息。因此，伴随着对这些领域的深入探索，对目标物体获取的深度数据精度的要求也日益提高。相比与直接获取三维数据存在的困难，通过相机得到二维图像则更为容易。因此，我们希望为4D光场的分析构建了一个连续的框架，利用目标物体所拍摄的一系列的二维图像的序列信息来建立三维数学模型，从而获取目标的深度信息。

传统相机只记录光线的空间信息，而光场相机则同时记录光线的角度和位置信息，因此，相比传统相机，光场相机可以获得四维光场L(x,y,u,v)更为全面的数据，为计算更为准确的深度数据提供可能。但是，光场相机虽然相比传统相机可以获取更多的数据，目前光场深度估计精度却并不理想，从而制约着已有理论及应用的发展。相比较之下，光学三维测量技术具有更理想的测量效果，利用结构光进行三维测量正是目前应用最为广泛的三维测量技术之一。结构光三维测量技术是通过向待测场景投影编码模板图像，根据调制变形后的编码模板恢复场景三维数据的主动式立体视觉方法。基于结构光的立体视觉方法是在传统立体视觉算法的基础上，通过投影编码图像的方式，为待测物体增加主动特征，解决在低纹理区域匹配精度低的问题。

数字投影条纹三维测量技术精度高，同时具有非接触、操作方便、效率高等优势，因此已经成为光学三维测量领域的热点。光场深度估计算法主要分为多视角立体匹配、散焦及融合的方法、基于EPI的方法以及深度学习的方法。EPI是通过分析光场数据结构的从而进行深度估计的方式，这个方法最早在1987年提出，之后虽然不断发展变化，他的核心思想始终是EPI图像中斜线的斜率就能够反映出场景的深度。

利用光场数据的位置和角度信息，可以估计场景深度。但是在传统的数字投影条纹测量系统中，常用CCD/CMOS相机作为采集设备，但是由于CCD/CMOS相机仅记录光的强度信息不记录光线的角度信息，因此在在高动态表面物体、大景深物体的深度数据获取方面存在局限性；在结构光立体视觉的工业应用中，现有的方法在实时性和测量精度上仍然有所欠缺，很多结构光立体视觉系统需要通过在待测物体表面贴上物理标签的方式作为引导的方式。为了弥补以上两种不足，光场相机与数字投影条纹的结合成为一种值得研究的深度估计方案。

发明内容

本发明针对现有技术中数字投影条纹测量系统中的高动态表面物体、大景深物体的深度数据获取的局限的技术问题，提供了一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法，包括如下步骤：投影条纹至待测物体表面，获取待测物体的EPI图片；对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段；从所述线性特征明显的线段中识别出属于同一特征点的共线线段；根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标。

在本发明的一些实施例中，所述投影条纹至待测物体表面，获取带待测物体的EPI图片包括如下步骤：

投影条纹至待测物体表面；

对拍摄图片进行切片处理，对相机坐标系下相同位置的水平切片按照时间顺序进行重组，得到EPI图片。

进一步的，所述投影条纹至待测物体表面，获取带待测物体的EPI图片包括如下步骤：

利用四步相移方法，对待测物体分别投射0°、90°、180°、270°的条纹结构光，获得多张光场条纹图像；

利用条纹的相移特性，将光场条纹图像进行降噪；

将经过降噪处理的光场条纹图像进行切片处理，并对相机坐标系下相同位置的水平切片按照时间顺序进行重组，得到EPI图片。

在本发明的一些实施例中，所述对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段包括如下步骤：

利用Canny算子对所述EPI图像进行边缘检测，得出边缘特征以合成轮廓；

对所述轮廓进行曲率计算，通过得到的曲率进行筛选，大于某一阈值的边缘轮廓进行过滤，保留线性特征明显的线段。

在本发明的一些实施例中，所述根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标包括如下步骤：

确立光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系；

根据所述光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系确定特征点在坐标系中的水平坐标和景深。

进一步的，所述光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系表示为：

更进一步的，根据极线斜率的绝对值

第二方面，本发明提供了一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量系统，包括投影模块、获取模块、识别模块、计算模块，所述投影模块，用于投影条纹至待测物体表面，获取待测物体的EPI图片；所述获取模块，用于对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段；所述识别模块，用于从所述线性特征明显的线段中识别出属于同一特征点的共线线段；所述计算模块，用于根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标。

第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现第一方面提供的基于多特征融合级联分类器的行人检测方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读介质，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的基于多特征融合级联分类器的行人检测方法。

本发明的有益效果是：

1.精确度高，通过条纹图像增加的特征，能达到更准确的斜率、截矩等数据，从而实现深度数据的恢复；

2.稳定性好，基于EPI的图像处理方法，对于某张或某几张图片的特征不稳定，环境光以及反射、阴影的干扰可以有效抑制，一定程度提高了算法的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明的一些实施例的基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法的基本流程图；

图2为本发明的一些实施例的光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的几何关系示意图；

图3为本发明一些实施例的基于结构照明特征的平面图像分析的测量装置的基本结构图；

图4为适于用来实现本发明的公开实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图；

图5为本发明一些实施例的基于结构照明特征的平面图像分析的测量装置的实物示意图；

图6为条纹投影示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1与图6，一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量方法，包括如下步骤：S101.投影条纹至待测物体表面，获取待测物体的EPI图片；S102.对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段；S103.从所述线性特征明显的线段中识别出属于同一特征点的共线线段；S104.根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标。

在本发明的一些实施例的步骤S101中，所述投影条纹至待测物体表面，获取带待测物体的EPI图片包括如下步骤：投影条纹至待测物体表面；可选的，条纹的频率和相位根据周期性光源对应的频率和相位来确定。

对拍摄图片进行切片处理，对相机坐标系下相同位置的水平切片按照时间顺序进行重组，得到EPI图片。

具体地，将确定了相位和频率的条纹结构光投影至待测物体的表面，然后通过光场相机拍摄被投影了条纹的待测物体；接着导出Lytro光场相机中的lfp格式的光场图片后，基于光场相机的子孔径的特性，得到15*15张光场子孔径图片，并对这225张图片进行初步滤波。

进一步的，所述投影条纹至待测物体表面，获取带待测物体的EPI图片包括如下步骤：

利用四步相移方法，对待测物体分别投射0°、90°、180°、270°的条纹结构光，获得多张光场条纹图像；

利用条纹的相移特性，将光场条纹图像进行降噪；

将经过降噪处理的光场条纹图像进行切片处理，并对相机坐标系下相同位置的水平切片按照时间顺序进行重组，得到EPI图片。

在本发明的一些实施例的步骤S102中，所述对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段包括如下步骤：

利用Canny算子对所述EPI图像进行边缘检测，得出正零交叉、负零交叉、峰、谷等边缘特征；可选的，还可通过Reberts算子、prewitt算子、sobel算子、laplacian算子中的一种或多种算子来进行边缘检测。

对所述轮廓进行曲率计算，通过得到的曲率

在本发明的一些实施例的步骤S104中，所述根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标包括如下步骤：确立光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系；根据所述光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系确定特征点在坐标系中的水平坐标和景深。

参考图2，进一步的，光场相机坐标系和静态待测物体坐标系的关系表示为：

具体地，S1041.在以镜头(相机)中心O为原点的坐标系中，像点M与特征点P的二维坐标关系:

S1042.坐标系之间的转换矩阵:

S1043.利用物体坐标系坐标来表示镜头坐标系：

更进一步的，根据极线斜率的绝对值

具体地，相机是在相机滑轨上匀速运动：p＝at，q＝0，其中a相机在滑轨上的速度，t为相机在滑轨上的运动时间；

当相机的镜头视角垂直于相机滑轨，则有：

θ＝0°，所以

根据得到的线段表达式得到物体的部分三维信息，根据直线斜率的绝对值

参考图3，本发明提供了一种基于结构照明特征的平面图像分析的测量系统1，包括投影模块11、获取模块12、识别模块13、计算模块14，所述投影模块11，用于投影条纹至待测物体表面，获取待测物体的EPI图片；所述获取模块12，用于对所述EPI图片进行特征提取以获得线性特征明显的线段；所述识别模块13，用于从所述线性特征明显的线段中识别出属于同一特征点的共线线段；所述计算模块14，用于根据所述共线线段和EPI图像中的极平面位置、直线斜率、截距之间的关系确定所述特征点的三维场景的坐标。

具体地，参考图5，上述投影模块11为光场相机；获取模块12、识别模块13、计算模块14集成在便携式计算机中。

参考图4，电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

通常以下装置可以连接至I/O接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图4示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图4中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从ROM502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、Python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。