一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法和系统

本公开涉及光学三维测量与双目视觉测量，尤其涉及一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法和系统。

背景技术：

1、双目结构光三维测量技术是一种结合主动投影编码和双目视觉几何约束的三维测量方法。该技术通过投影仪向待测物体表面投射具有编码规律的条纹图案，并利用左右相机从不同视角同步采集经物体表面调制后的条纹图像，再通过相位解码、双目标定、立体校正、像素匹配和三角测量等步骤恢复物体表面的三维形貌。与单目结构光系统相比，双目结构光系统具有视角信息更丰富、重建完整性更高和复杂表面适应性更强等优点，已广泛应用于工业检测、精密测量、逆向工程和机器视觉等领域。

2、然而，在高动态范围物体，尤其是金属零部件、抛光模具和高反射工件的三维测量中，传统双目结构光方法仍然面临明显困难。由于金属表面反射率分布不均，局部区域容易产生强镜面反射、高光饱和、弱反射和条纹对比度下降等现象，导致相移条纹畸变、格雷码边界模糊、包裹相位不稳定和相位展开错误。上述问题会进一步影响左右视图之间的像素匹配，使得重建结果中出现点云缺失、误匹配点和局部几何失真。

3、现有双目匹配方法通常依赖立体校正后的极线约束，将原始二维搜索转化为沿水平极线方向的一维搜索。虽然该方法能够降低匹配复杂度，但在高动态范围金属表面测量中，仅依赖极线约束和相位相似性仍然不足。一方面，背景区域、弱信号区域和高光异常区域会导致部分像素相位不可靠；另一方面，由于结构光条纹具有周期性，同一极线上可能存在多个相位值相近的候选点，从而造成搜索冗余和跨周期误匹配。

4、3lcd投影仪是一种采用三片液晶面板同时处理红绿蓝三原色的投影仪器，偏振错位融合相移编码方法能够利用3lcd投影仪不同颜色通道的正交偏振特性，在较少投影图案下同时获得绝对相位、相位周期阶次和线偏振度信息。但是，现有方法更多关注编码方式和相位展开过程，对于偏振信息和相位阶次信息在双目匹配过程中的约束作用利用不足。因此，有必要提出一种能够充分利用线偏振度、相位周期阶次和绝对相位信息的双目匹配优化方法，以提高高动态范围物体双目结构光测量中的匹配效率、抗干扰能力和三维重建完整性。

技术实现思路

1、本公开实施例提供一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法和系统，以解决背景技术中存在的问题，技术方案如下：

2、第一方面，本公开实施例提供了一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法，包括：

3、s10、获取左右两幅偏振条纹图像作为左视图和右视图，并对所述左视图和右视图进行立体校正，其中，所述左右两幅偏振条纹图像由投影仪向待测物体表面投射偏振错位融合相移编码图案并分别通过已标定的左偏振相机和右偏振相机同步采集得到；

4、s20、对经立体校正后的所述左视图和右视图进行偏振错位融合相移解码，得到左视图和右视图的绝对相位、相位周期阶次和线偏振度；

5、s30、根据所述线偏振度构建有效区域掩膜，剔除背景区域、弱信号区域和高光异常区域，得到左视图和右视图的有效测量区域；

6、s40、以所述左视图有效测量区域内的像素作为待匹配点，根据所述相位周期阶次，在立体校正后的右视图极线上，筛选出与左视图待匹配点具有相同相位周期阶次的像素作为候选匹配点，并构成候选匹配集合；

7、s50、根据所述线偏振度构建加权绝对差和匹配代价函数，在所述候选匹配集合范围内计算各候选匹配点的匹配代价，确定最佳匹配点；

8、s60、根据所述最佳匹配点进行三角测量，得到待测物体表面的三维点云。

9、可选地，所述立体校正包括：

10、根据双目偏振相机的内参、畸变参数以及左相机和右相机之间的相对位姿关系，采用极线校正算法，对所述左视图和右视图进行重映射，将所述左视图和右视图重映射至同一成像平面。

11、可选地，对所述左视图和右视图进行偏振错位融合相移解码，包括：

12、从所述左视图和右视图中提取出相移条纹信息和错位格雷码信息；

13、对所述相移条纹信息进行相移计算，得到包裹相位，对所述错位格雷码信息进行解码，得到相位周期阶次；

14、根据所述包裹相位和所述相位周期阶次计算绝对相位；

15、根据所述左视图和右视图在不同线偏振方向下的图像响应计算得到线偏振度。

16、可选地，所述绝对相位表示为：

17、，

18、式中，表示相机

c中像素的绝对相位，表示包裹相位，表示相位周期阶次，，l表示左相机，r表示右相机。

19、可选地，所述有效区域掩膜表示为：

20、，

21、式中，表示像素属于有效测量区域，表示像素属于无效区域，表示相机

c中像素的线偏振度，和分别表示线偏振度有效阈值的上限和下限。

22、可选地，在所述候选匹配集合范围内计算各候选匹配点的匹配代价，确定最佳匹配点，包括：

23、以所述待匹配点为中心确定左匹配窗口，并以右视图中各候选匹配点为中心确定对应的右匹配窗口，计算所述左匹配窗口和右匹配窗口内的平均线偏振度；

24、根据所述左匹配窗口和右匹配窗口内像素的线偏振度与对应匹配窗口的平均线偏振度的比值确定像素权重；

25、在所述左匹配窗口和右匹配窗口内，根据所述左视图和右视图中对应像素的绝对相位和所述像素权重，计算匹配代价；

26、选取匹配代价最小的候选匹配点作为最佳匹配点。

27、可选地，所述像素权重表示为：

28、，

29、式中，表示相机

c中匹配窗口内的像素权重，表示匹配窗口内像素的线偏振度，表示对应匹配窗口内的平均线偏振度，

ε为防止分母为零的常数，clip()表示截断函数，和分别表示像素权重下限和像素权重上限。

30、第二方面，还提供了一种基于偏振阶次约束的双目三维测量系统，包括：

31、图像采集与校正模块，获取左右两幅偏振条纹图像作为左视图和右视图，并对所述左视图和右视图进行立体校正，其中，所述左右两幅偏振条纹图像由投影仪向待测物体表面投射偏振错位融合相移编码图案并分别通过已标定的左偏振相机和右偏振相机同步采集得到；

32、偏振解码模块，对经立体校正后的所述左视图和右视图进行偏振错位融合相移解码，得到左视图和右视图的绝对相位、相位周期阶次和线偏振度；

33、有效区域掩膜构建模块，根据所述线偏振度构建有效区域掩膜，剔除背景区域、弱信号区域和高光异常区域，得到左视图和右视图的有效测量区域；

34、阶次约束搜索模块，以所述左视图有效测量区域内的像素作为待匹配点，根据所述相位周期阶次，在立体校正后的右视图极线上，筛选出与左视图待匹配点具有相同相位周期阶次的像素作为候选匹配点，并构成候选匹配集合；

35、加权匹配模块，根据所述线偏振度构建加权绝对差和匹配代价函数，在所述候选匹配集合范围内计算各候选匹配点的匹配代价，确定最佳匹配点；

36、三角测量模块，根据所述最佳匹配点进行三角测量，得到待测物体表面的三维点云。

37、第三方面，还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法。

38、第四方面，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令和比特流，所述程序/指令被处理器执行时实现上述的一种基于偏振阶次约束的双目三维测量方法生成所述比特流。

39、上述技术方案中的优点或有益效果至少包括：

40、1）本公开利用相位周期阶次将传统整条极线搜索压缩为同阶次极线段搜索，显著减少候选匹配点数量，降低相位匹配计算量。

41、2）本公开利用线偏振度构建有效区域掩膜，在匹配前剔除背景区域、弱信号区域和高光异常区域，减少不可靠像素对匹配过程的干扰。

42、3）本公开采用加权绝对差和匹配代价函数，根据像素偏振可靠性自适应调整匹配窗口内不同像素的贡献，降低异常像素对匹配代价的影响，可提升高动态范围金属物体表面的三维重建完整性和测量稳定性。

43、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本公开进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。