图像测量第五章三维图像测量.ppt

主动式三角测量法,摄像机1,摄像机2,无源/被动立体视觉方法的缺点,指哪认哪,难认！,投影仪,摄像机, 投光：变无源/被动为有源/主动,打哪指哪,易认！,主动式三角测量法, 模式光投影法,光点投影法,光条投影法,组合光投影法,编码模式光投影法, 光点组合, 光条组合, 光点光条组合, 灰度编码, 彩色编码, 组合式二值编码, 时间编码,主动式三角测量法, 光点投影法,无投光图像,摄像机,投影仪,光点,点状投影光,视线,2值图像,投光图像,阈值,(xp, yp),(xi, yi),二维扫描,待求物点的三维信息可由投影光束所确定的直线和对应像点的视线在空间中的交点所给出。,光点投影法以二维顺序扫描的方式实现对测量空间的编码。,主动式三角测量法, 光点投影法,优点： 处理简单、可靠。,缺点： 需要用光点对待测物体进行二维扫描，以得到整幅图像上各像点所对应的物点的三维信息。为了检测出图像中的一个光点以得到该点所对应的的测量数据，需对整幅图像进行处理。 测量时间长，不能满足某些对实时性要求高的应用需求。,主动式三角测量法, 光条投影法,一维扫描,摄像机,投影仪,光条,视线,狭缝投影光,(xp, yp),(x i, yI),待求物点的三维位置信息可由狭缝光在空间中形成的平面和对应像点的视线在空间中的交点所给出。,光条投影法以建立投射狭缝光的时间序列的方式实现对测量空间的编码。,主动式三角测量法, 光条投影法中使用的投影仪,激光源,旋转机构,平面镜,平面光,机械扫描方式,主动式三角测量法, 光条投影法中使用的投影仪,电子扫描方式,通过计算机控制狭缝状光栅的开闭状态可形成所需要的、用于照射被测物体的平面光。,控制器,狭缝状光栅,掩膜,可以按任意编制的顺序打出平面光，也可以同时打出多个平面光。,主动式三角测量法, 灰度编码模式光投影法,在投影仪光源的前方放置一掩膜。其中，掩膜上由xp所定义的狭缝处的透光率为f(xp)。如果适当选择f(xp)的取值，使不同的xp所对应的f(xp)的取值各不相同，那么，当投影仪经由这样一个掩膜向待测物体投光时，投射到待测物体上的光的强度将随狭缝方向的变化而变化,从而完成对测量空间的编码。,摄像机,投影仪,等灰度线,视线,差分图像,透光率受控的 狭缝投影光,(xp, yp),(x i, yI),投光图像,无投光图像,主动式三角测量法, 灰度编码模式光投影法,优点： 只需要进行一次投光即可得到图像上各像点的空间编码值,特别适用于运动物体的测量。,缺点： （1）需要高S/N的图像传感器。 （2）易受物体本身反射特性的影响。 （3）易受环境背景光的影响。 （4）易受物体间存在的相互反射的影响。,主动式三角测量法, 彩色编码模式光投影法,在投影仪光源的前方放置一掩膜。其中，掩膜上由xp所定义的狭缝处的颜色为C(xp)。适当选择C(xp)的取值，使不同的xp所对应的C(xp)的取值各不相同，那么，当投影仪经由这样一个掩膜向待测物体投光时，投射到待测物体上的光的颜色将随狭缝方向的变化而变化,从而完成对测量空间的编码。,摄像机,投影仪,等色线,视线,差分图像,颜色受控的 狭缝投影光,(xp, yp),(x i, yI),投光图像,无投光图像,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,光条投影法和灰度编码模式光投影法的比较 从原理上来看，光条投影法可以认为是前述灰度编码模式光投影法的一个特例。由于投射到待测物体上的光的强度仅取分别对应于狭缝开、闭两种状态的“有光”（一般取为系统所能提供的最大灰度）和“无光”（一般取为0）两种灰度值，故该方法克服了灰度编码模式光投影法的主要缺点，具有抗干扰能力强、受物体本身的反射特性影响小等优点。但是，如前所述，这种方法也有其自身的缺点，即一次测量仅能得到相应光条位置处的三维信息。,组合式二值编码模式光投影法：将上述两种方法进行组合以克服各自的缺点、并尽可能保留各自的优点。,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,整个测量空间的形状为一四角锥。用一个比特按上述方式对整个空间进行编码，实际上相当于把测量空间分解成两个不相交的子空间。这些子空间的形状仍为四角锥，但横向有收缩。这样，对于空间中的一个物点而言，若经过上述处理，该点所对应的像点获得了编码值“1”，则表明相应的物点位于左图中由白色标记的子空间内；否则，位于同图中由灰色标记的子空间内。,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,同理，可将经由第二个掩膜所产生的模式光投向待测物体，并经过与上述处理类似的处理用另一个比特完成对测量空间的又一次“粗”编码。该次“粗”编码的结果也把整个测量空间按照左图所示的模式分解成两个不相交的子空间。相应地，我们可以得到另一幅关于测量空间的1bit编码图像。与前类似，对于空间中的一个物点而言，若该点所对应的像点在编码过程中获得了编码值“1”，则表明相应的物点位于由白色标记的子空间内；否则，位于由灰色标记的子空间内。,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,+,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,对于不同的掩膜不断重复上述过程，可以得到关于测量空间的更为精细的编码结果。这样，经过n次投光后，将得到一深度为nbit的空间编码图像。相应地、整个测量空间被分解成2n个子空间。每一个子空间均为形状呈刀刃状的一个四角锥。显然，n值越大，上述四角锥（即分解子空间）的刀背部分在空间的散开程度越小，编码的精细程度越高。因此，只要n足够大，则相应的刀刃状分解子空间在空间的散开程度足够小，以至于每一个分解子空间均可由空间中的一个平面来近似。,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法,从效果上来看，这样得到的分解子空间非常类似于光条投影法中狭缝光所占据的空间区域。所不同的是，在提供同样的空间分辨率的情况下，光条投影法所需要投影的次数远较现在的方法为多。例如，当把测量空间分解成2n个子空间时，用光条投影法，共需投影2n次。而用现在的方法（即组合式二值编码模式光投影法）则仅需投光log2n=n次，大大减少了所需要的投影次数。,主动式三角测量法, 基本关系式,物点和对应像点之间的关系,投影仪参数矩阵,物点和对应投影仪坐标之间的关系,主动式三角测量法, 基本关系式,除光点投影法之外，各种编码方案中的yp均是未知的，故应用这些方法进行测量时只有如下的方程可以被利用：,主动式三角测量法, 物点三维坐标的计算,主动式三角测量法, 物点三维坐标的计算,记,则有，QV = F,V = Q-1F,主动式三角测量法, 投影仪参数的标定,投影仪参数（共8个）可借助于基准物体和摄像机进行标定。 为此，对式 进行改写，有： 由上式，知：若对应的物点为一基准参考点，则上方程可作为用于求解所述投影仪参数的一个约束条件。 这样，若已知不在同一平面上的8个基准点的三维坐标及其对应的投影仪坐标，则利用上述约束条件可解出待求的投影仪参数。,注意：8个投影仪参数不是相互独立的，其中有一个可任意设置。例如，可取P24 = 1。,主动式三角测量法, 投影仪参数的标定,和摄像机参数的标定过程一样，为了提高标定精度，可采用8个以上的基准点。当采用N个基准点时，有：,=,P = (BT B)-1 BT X,B P X,利用最小二乘法， 解出：,主动式三角测量法, 投影仪参数的标定,标定的主要步骤： 依次对如图所示的基准立方体投射经空间编码的模式光，并运用图像处理手段抽取和记录观测图像各像点所对应的投影仪坐标。 用图像处理手法检测出各组直线段，并以此为基础，确定图中虚线所示的各组直线段。利用实线的各组直线段计算出图中用虚线标出的各组直线段之间的交点处的世界坐标。 将用虚线标出的各组直线段之间的交点作为基准参考点，利用以上步骤中得到的基准点在世界坐标系和投影仪坐标系下的坐标值，定出待求的投影仪参数。,借助于摄像机和基准参考物体进行投影仪参数的标定。,主动式三角测量法, 组合式二值编码模式光投影法的 实际测量结果举例,被测对象,距离图像,空间编码图像,主动式三角测量法, 影响距离图像测量精度的因素,距离图像的高精度测量,投影仪,输入图像,空间编码图像,投光结束？,否,是,距离图像,X,Y,Z, 影响距离图像测量精度的因素,距离图像的高精度测量,受投影仪和摄像机的空间分辨率的制约,形状不同的两个四角锥,测量精度与被测物体与投影仪和摄像机之间的距离成反比。距离越远，测量精度越差。,摄像机,投影仪, 影响距离图像测量精度的因素,距离图像的高精度测量,受测量过程中所使用的方法的制约,在组合式二值编码模式光投影法的例子中，图像的二值化处理对于确定图像像素相应的空间编码值起着至关重要的作用。如果由于处理方法不当，使得在二值化过程中引入较大的测量误差，则这种误差将直接影响到距离的测量精度本身。,投影仪,输入图像, 影响距离图像测量精度的因素,距离图像的高精度测量,受摄像机参数和投影仪参数等系统参数的校准精度的制约, 影响距离图像测量精度的因素,距离图像的高精度测量,提高系统距离测量精度的一些考虑：,（1）提高投影仪和摄像机的空间分辨率；,（2）减少二值化过程中引入的测量误差；,（3）提高投影仪和摄像机参数的标定精度。,（2）减少二值化过程中引入的测量误差；,距离图像的高精度测量,二值化方法的改进,直接法 该方法对模式光照射下的输入图像f(i,j)直接实施阈值操作，将观测图像中灰度超过阈值T的像点作为图像中有光照射区域上的点。,距离图像的高精度测量,简单差分法 该方法将模式光照射下的输入图像f(i,j)和无投光情况下的输入图像g(i,j)进行差分运算，并将差分的结果同某个预先设定的固定阈值T进行比较，将灰度差分大于阈值的像素划归有光照射区域；否则，划归无光照射区域。,二值化方法的改进,距离图像的高精度测量,简单差分法（续） 该方法和下图所示的将模式光照射下的输入图像f(i,j)与由无投光情况下的输入图像g(i,j)和某个预先设定的固定阈值的和所构成的可变阈值进行比较的方法所得到的效果是等同的。它可以消除由背景照明带来的不良影响。,二值化方法的改进,距离图像的高精度测量,平均图像比较法 该方法把全投光情况下的输入图像h(i,j)和无投光情况下的输入图像g(i,j)的平均图像作为可变阈值对模式光照射下的输入图像f(i,j)进行二值化处理，将灰度差分大于可变阈值的像素划归有光照射区域；否则，划归无光照射区域。该方法不仅可以消除由背景照明带来的不良影响，而且还可以抑制由物体表面反射率的不一致所带来的不良影响。,二值化方法的改进,距离图像的高精度测量,二值化方法的改进,互补模式比较法 该方法通过先后投影亮度上互补的两个模式光到待测物体上以从观测图像中检测出相应的在正模式光照射下的有光照射区域。这里，所谓的正模式光与欲投影的模式光相同，而负模式光则是相应正模式光在亮度上的反转。具体言之，在正、负模式光照射下得到的两幅输入图像被直接进行比较，当正模式输入图像f+(i,j)上的待处理像素大于负模式输入图像f-(i,j)上的对应像素时，该待处理像素被划归有光照射区域；否则，划归无光照射区域。该方法由于采用了正、负模式光两次投影的工作方式，具有类似于差动技术的一些特性，能够消除由背景照明、物体表面反射特性的不均匀性以及输入的非线性引入的不良影响，实现稳定和高精度的二值化处理。,2值化,b(i,j),b(i,j),可变阈值,；,距离图像的高精度测量,投影模式边界的内插,正模式光,负模式光,图像扫描行,A,D,B,C,O,Y,X,直线AD的方程为： y - A = - (A-D) x 直线BC的方程为： y - B = (C-B) x,解之，有：,距离图像的高精度测量,对测量误差有抑制作用的空间编码方案,前述组合式二值编码, 纯二进编码,距离图像的高精度测量,对测量误差有抑制作用的空间编码方案,纯二进编码的缺点, 当空间编码图像的高位发生错误时，将使实测的空间编码值较真实值产生较大的偏差。,距离图像的高精度测量,对测量误差有抑制作用的空间编码方案