一种透视成像偏振三维重建方法

本发明涉及的是一种透视成像偏振三维重建方法，缓解偏振相机透视效应导致的偏振三维成像误差，属于计算光学领域。

背景技术：

1、随着数字化进程的不断深入，人们对目标信息维度的需求不断提升。相较于传统二维成像方式，三维成像能提供包括深度、高度在内的全方位空间数据，突破了传统成像方法的二维局限性。对于人类而言，它更接近于人们对客观世界的感知方式，能为人类提供更直观的信息。对于计算机而言，更高维度的信息，能促进其做出更好的推理、判断。如今，在水下探测、无人驾驶、遥感地形探测等领域，都有三维成像的应用。偏振三维成像相较于其它三维成像方式，具有抗环境干扰能力强、成像距离远、适用于低纹理目标物等优势。偏振三维成像法已经实现了对单个目标物的高精度三维重建，在定性和定量评价上达成了不错的效果。

2、就目前而言，偏振三维成像要想实现在实际工程上的应用，仍有很长的路要走。这是因为以往绝大多数偏振三维研究中依赖于正交投影的成像假设。然而，实际的相机模型都是依据小孔成像模型进行构造，入射光线与感光像元之间满足的是透视投影关系。透视投影效应势必会给偏振三维成像带来误差。在以往的相关研究中，为了减小透视效应带来的误差，通常让要重建的目标表面正对着镜头且处于图像的中心。通常镜头与目标物很难满足这种相对位置关系，这导致在实际的应用中，偏振三维重建结果有着较大的误差，特别是当目标物出现在镜头的成像边缘时。这一关键问题已经受到关注，但目前还没有一种能真正解决透视投影导致的误差，让偏振三维走向实际应用的方法。

3、本发明公开了一种透视成像偏振三维重建方法，该方法利用偏振相机拍摄目标偏振图像。并用偏振图像求解强度图、偏振度图和相位角图。利用强度图和透视暗阴影恢复形状法来得到一个粗糙的目标表面深度图。根据透视暗阴影恢复形状法估计的粗糙深度图不受相机透视效应影响的特性，利用该粗糙深度图来优化利用偏振度图和相位角图求解得到的目标表面法向量，以缓解透视效应导致的偏振三维重建误差。将优化后的法向量进行积分，得到高精度深度图，并对其进行点云表示，得到最终的三维重建结果。利用该方法进行三维重建，无须让目标正对相机镜头和处于图像中心，仍能实现高精度的偏振三维重建，助力其走向实际的生产应用中。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种能够缓解透视效应误差、助力偏振三维成像走向实际应用的方法。

2、本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

3、一种透视成像偏振三维重建方法，包括：

4、a1，使用偏振相机拍摄目标偏振图像；

5、a2，使用偏振图像计算求解强度图、偏振度图和相位角图；

6、a3，利用强度图，通过透视投影暗阴影恢复形状法，求解得到关于物体表面的粗糙深度图；

7、a4，利用偏振度图和相位角图求解物体表面法向量；

8、a5，使用粗糙深度图优化物体表面法向量；

9、a6，使用优化过后的法向量和积分算法求解目标高精度深度图；

10、a7，将深度图进行点云表示，实现最终三维重建。

11、进一步，所述a2中的强度图、偏振度图和相位角图，可以利用a1中所拍摄到的偏振图像求解，它们之间满足以下关系：

12、               （1）

13、其中为偏振角度，为相位角；为目标表面反射光经过不同偏振角度下的偏振片后能达到的最大强度，相反地，表示能达到的最小强度。

14、利用至少三个不同角度的偏振图像和线性最小二乘法求解公式（1），得到、和，再进一步求解得到强度图和偏振度图。和与强度图和偏振度图满足如下关系：

15、                                       （2）

16、由公式（2）求得到的强度图、偏振度图和相位角图分别如图1、图2和图3所示。

17、进一步，所述a3中，设定偏振相机镜头焦距为，则物体表面点在相机成像平面的投影点满足如图4所示的几何关系。强度与物体表面法向量满足如下关系：

18、            （3）

19、其中，表示的是光源的方向；设，则和表示在和方向的偏导数。

20、在透视投影暗阴影恢复形状法中，利用快速行进法求解公式（3），便可以得到粗糙深度图。

21、进一步，所述a4中，偏振度图和相位角图与物体表面法向量满足如下关系：

22、               （4）

23、                                            （5）

24、                            （6）

25、进一步，所述a5中，利用粗糙深度图通过有限差分法求解法向量图，利用能量成本函数来优化，得到准确的物体表面法向量。

26、进一步，所述a6中，利用优化后得到的法向量和积分公式求解得到最终的深度图。积分公式如下所示：

27、                            （7）

28、其中，表示离散傅里叶逆变换，表示离散傅里叶变换；和分别代表法向量在和方向上的分量；表示的是频域坐标。

29、进一步，所述a7中，在已知深度图的情况下，通过对偏振相机进行参数标定，求解出物体表面点在三维空间中的坐标点。利用点云表示物体表面的所有坐标点，完成最终的三维重建。

1.一种透视成像偏振三维重建方法，该方法的具体过程包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种透视成像偏振三维重建方法，其特征在于：将透视投影暗阴影恢复形状法与偏振三维成像方法相融合。利用透视暗阴影恢复形状法不因偏振相机透视效应而引入误差的特点，估计出一个关于目标的粗糙深度图。并用粗糙深度图和能量优化函数来优化利用偏振信息求解的物体表面法向量，利用优化后的物体表面法向量和积分算法得到高精度的深度图以及三维重建结果。这在一定程度上，缓解了偏振相机透视效应导致的偏振三维成像误差，使得偏振三维成像法能对场景目标进行三维重建，并且在不同相机位姿下仍能得到高精度的三维重建结果，更具一般适用性。