圖像測量第五章三維圖像測量

圖像測量第五章三維圖像測量第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四老哥，我打的地方，你看見了嗎？投影儀攝像機是有紅色標記的地方吧？看見了，看見了。

投光：變無源/被動為有源/主動打哪指哪,易認！主動式三角測量法第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

模式光投影法光點投影法光條投影法組合光投影法編碼模式光投影法光點組合光條組合光點光條組合灰度編碼彩色編碼組合式二值編碼時間編碼主動式三角測量法第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

光點投影法無投光圖像攝像機投影儀光點點狀投影光視線2值圖像-投光圖像閾值(xp,yp)(xi,yi)二維掃描待求物點的三維信息可由投影光束所確定的直線和對應(yīng)像點的視線在空間中的交點所給出。光點投影法以二維順序掃描的方式實現(xiàn)對測量空間的編碼。主動式三角測量法第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

光點投影法優(yōu)點：

處理簡單、可靠。缺點：

需要用光點對待測物體進行二維掃描，以得到整幅圖像上各像點所對應(yīng)的物點的三維信息。為了檢測出圖像中的一個光點以得到該點所對應(yīng)的的測量數(shù)據(jù)，需對整幅圖像進行處理。

測量時間長，不能滿足某些對實時性要求高的應(yīng)用需求。主動式三角測量法第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

光條投影法一維掃描攝像機投影儀光條視線

2值圖像狹縫投影光(xp,yp)(xi,yI)待求物點的三維位置信息可由狹縫光在空間中形成的平面和對應(yīng)像點的視線在空間中的交點所給出。-閾值投光圖像無投光圖像光條投影法以建立投射狹縫光的時間序列的方式實現(xiàn)對測量空間的編碼。主動式三角測量法第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

光條投影法中使用的投影儀激光源旋轉(zhuǎn)機構(gòu)平面鏡平面光機械掃描方式主動式三角測量法第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

光條投影法中使用的投影儀電子掃描方式通過計算機控制狹縫狀光柵的開閉狀態(tài)可形成所需要的、用于照射被測物體的平面光?？刂破鳘M縫狀光柵掩膜可以按任意編制的順序打出平面光，也可以同時打出多個平面光。主動式三角測量法第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

灰度編碼模式光投影法在投影儀光源的前方放置一掩膜。其中，掩膜上由xp所定義的狹縫處的透光率為f(xp)。如果適當選擇f(xp)的取值，使不同的xp所對應(yīng)的f(xp)的取值各不相同，那么，當投影儀經(jīng)由這樣一個掩膜向待測物體投光時，投射到待測物體上的光的強度將隨狹縫方向的變化而變化,從而完成對測量空間的編碼。攝像機投影儀等灰度線視線差分圖像透光率受控的狹縫投影光(xp,yp)(xi,yI)-投光圖像無投光圖像主動式三角測量法第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

灰度編碼模式光投影法優(yōu)點：

只需要進行一次投光即可得到圖像上各像點的空間編碼值,特別適用于運動物體的測量。缺點：（1）需要高S/N的圖像傳感器。（2）易受物體本身反射特性的影響。（3）易受環(huán)境背景光的影響。（4）易受物體間存在的相互反射的影響。主動式三角測量法第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

彩色編碼模式光投影法在投影儀光源的前方放置一掩膜。其中，掩膜上由xp所定義的狹縫處的顏色為C(xp)。適當選擇C(xp)的取值，使不同的xp所對應(yīng)的C(xp)的取值各不相同，那么，當投影儀經(jīng)由這樣一個掩膜向待測物體投光時，投射到待測物體上的光的顏色將隨狹縫方向的變化而變化,從而完成對測量空間的編碼。攝像機投影儀等色線視線差分圖像顏色受控的狹縫投影光(xp,yp)(xi,yI)-投光圖像無投光圖像主動式三角測量法第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法光條投影法和灰度編碼模式光投影法的比較從原理上來看，光條投影法可以認為是前述灰度編碼模式光投影法的一個特例。由于投射到待測物體上的光的強度僅取分別對應(yīng)于狹縫開、閉兩種狀態(tài)的“有光”（一般取為系統(tǒng)所能提供的最大灰度）和“無光”（一般取為0）兩種灰度值，故該方法克服了灰度編碼模式光投影法的主要缺點，具有抗干擾能力強、受物體本身的反射特性影響小等優(yōu)點。但是，如前所述，這種方法也有其自身的缺點，即一次測量僅能得到相應(yīng)光條位置處的三維信息。組合式二值編碼模式光投影法：將上述兩種方法進行組合以克服各自的缺點、并盡可能保留各自的優(yōu)點。主動式三角測量法第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法主動式三角測量法第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法整個測量空間的形狀為一四角錐。用一個比特按上述方式對整個空間進行編碼，實際上相當于把測量空間分解成兩個不相交的子空間。這些子空間的形狀仍為四角錐，但橫向有收縮。這樣，對于空間中的一個物點而言，若經(jīng)過上述處理，該點所對應(yīng)的像點獲得了編碼值“1”，則表明相應(yīng)的物點位于左圖中由白色標記的子空間內(nèi)；否則，位于同圖中由灰色標記的子空間內(nèi)。10主動式三角測量法第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法同理，可將經(jīng)由第二個掩膜所產(chǎn)生的模式光投向待測物體，并經(jīng)過與上述處理類似的處理用另一個比特完成對測量空間的又一次“粗”編碼。該次“粗”編碼的結(jié)果也把整個測量空間按照左圖所示的模式分解成兩個不相交的子空間。相應(yīng)地，我們可以得到另一幅關(guān)于測量空間的1bit編碼圖像。與前類似，對于空間中的一個物點而言，若該點所對應(yīng)的像點在編碼過程中獲得了編碼值“1”，則表明相應(yīng)的物點位于由白色標記的子空間內(nèi)；否則，位于由灰色標記的子空間內(nèi)。1010主動式三角測量法第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法101000011011MSBLSB10+主動式三角測量法第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法對于不同的掩膜不斷重復(fù)上述過程，可以得到關(guān)于測量空間的更為精細的編碼結(jié)果。這樣，經(jīng)過n次投光后，將得到一深度為nbit的空間編碼圖像。相應(yīng)地、整個測量空間被分解成2n個子空間。每一個子空間均為形狀呈刀刃狀的一個四角錐。顯然，n值越大，上述四角錐（即分解子空間）的刀背部分在空間的散開程度越小，編碼的精細程度越高。因此，只要n足夠大，則相應(yīng)的刀刃狀分解子空間在空間的散開程度足夠小，以至于每一個分解子空間均可由空間中的一個平面來近似。主動式三角測量法第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法從效果上來看，這樣得到的分解子空間非常類似于光條投影法中狹縫光所占據(jù)的空間區(qū)域。所不同的是，在提供同樣的空間分辨率的情況下，光條投影法所需要投影的次數(shù)遠較現(xiàn)在的方法為多。例如，當把測量空間分解成2n個子空間時，用光條投影法，共需投影2n次。而用現(xiàn)在的方法（即組合式二值編碼模式光投影法）則僅需投光log2n=n次，大大減少了所需要的投影次數(shù)。主動式三角測量法第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

基本關(guān)系式物點和對應(yīng)像點之間的關(guān)系投影儀參數(shù)矩陣物點和對應(yīng)投影儀坐標之間的關(guān)系主動式三角測量法第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

基本關(guān)系式除光點投影法之外，各種編碼方案中的yp均是未知的，故應(yīng)用這些方法進行測量時只有如下的方程可以被利用：主動式三角測量法第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

物點三維坐標的計算主動式三角測量法第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

物點三維坐標的計算記則有，QV=FV=Q-1F主動式三角測量法第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

投影儀參數(shù)的標定投影儀參數(shù)（共8個）可借助于基準物體和攝像機進行標定。為此，對式進行改寫，有：由上式，知：若對應(yīng)的物點為一基準參考點，則上方程可作為用于求解所述投影儀參數(shù)的一個約束條件。這樣，若已知不在同一平面上的8個基準點的三維坐標及其對應(yīng)的投影儀坐標，則利用上述約束條件可解出待求的投影儀參數(shù)。PxPyPzPPxxPxyPxzPxwwwpwpwpwp11121314212223240+++----=()()()PPxxPPxyPPxzPxPpwpwpwp1121122213232414-+-+-=-注意：8個投影儀參數(shù)不是相互獨立的，其中有一個可任意設(shè)置。例如，可取P24=1。主動式三角測量法第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

投影儀參數(shù)的標定和攝像機參數(shù)的標定過程一樣，為了提高標定精度，可采用8個以上的基準點。當采用N個基準點時，有：=P=(BTB)-1BTXBPX利用最小二乘法，解出：主動式三角測量法第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

投影儀參數(shù)的標定標定的主要步驟：依次對如圖所示的基準立方體投射經(jīng)空間編碼的模式光，并運用圖像處理手段抽取和記錄觀測圖像各像點所對應(yīng)的投影儀坐標。用圖像處理手法檢測出各組直線段，并以此為基礎(chǔ)，確定圖中虛線所示的各組直線段。利用實線的各組直線段計算出圖中用虛線標出的各組直線段之間的交點處的世界坐標。將用虛線標出的各組直線段之間的交點作為基準參考點，利用以上步驟中得到的基準點在世界坐標系和投影儀坐標系下的坐標值，定出待求的投影儀參數(shù)。借助于攝像機和基準參考物體進行投影儀參數(shù)的標定。XwYwZw主動式三角測量法第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

組合式二值編碼模式光投影法的

實際測量結(jié)果舉例

被測對象距離圖像空間編碼圖像主動式三角測量法第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

影響距離圖像測量精度的因素

距離圖像的高精度測量投影儀

2值圖像輸入圖像空間編碼圖像投光結(jié)束？否是攝像機參數(shù)投影儀參數(shù)三維坐標計算距離圖像XYZ第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

影響距離圖像測量精度的因素

距離圖像的高精度測量受投影儀和攝像機的空間分辨率的制約形狀不同的兩個四角錐測量精度與被測物體與投影儀和攝像機之間的距離成反比。距離越遠，測量精度越差。攝像機投影儀第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

影響距離圖像測量精度的因素

距離圖像的高精度測量受測量過程中所使用的方法的制約在組合式二值編碼模式光投影法的例子中，圖像的二值化處理對于確定圖像像素相應(yīng)的空間編碼值起著至關(guān)重要的作用。如果由于處理方法不當，使得在二值化過程中引入較大的測量誤差，則這種誤差將直接影響到距離的測量精度本身。投影儀

2值圖像輸入圖像第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

影響距離圖像測量精度的因素

距離圖像的高精度測量受攝像機參數(shù)和投影儀參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的校準精度的制約XwYwZw第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四

影響距離圖像測量精度的因素

距離圖像的高精度測量提高系統(tǒng)距離測量精度的一些考慮：（1）提高投影儀和攝像機的空間分辨率；（2）減少二值化過程中引入的測量誤差；（3）提高投影儀和攝像機參數(shù)的標定精度。（2）減少二值化過程中引入的測量誤差；第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量二值化方法的改進閾值Tf(i,j)2值化b(i,j)Tf(i,j)b(i,j)直接法該方法對模式光照射下的輸入圖像f(i,j)直接實施閾值操作，將觀測圖像中灰度超過閾值T的像點作為圖像中有光照射區(qū)域上的點。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量簡單差分法該方法將模式光照射下的輸入圖像f(i,j)和無投光情況下的輸入圖像g(i,j)進行差分運算，并將差分的結(jié)果同某個預(yù)先設(shè)定的固定閾值T進行比較，將灰度差分大于閾值的像素劃歸有光照射區(qū)域；否則，劃歸無光照射區(qū)域。f(i,j)g(i,j)-閾值T(固定)2值化b(i,j)g(i,j)f(i,j)-g(i,j)f(i,j)T（固定）b(i,j)二值化方法的改進第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量簡單差分法（續(xù)）該方法和下圖所示的將模式光照射下的輸入圖像f(i,j)與由無投光情況下的輸入圖像g(i,j)和某個預(yù)先設(shè)定的固定閾值的和所構(gòu)成的可變閾值進行比較的方法所得到的效果是等同的。它可以消除由背景照明帶來的不良影響。f(i,j)g(i,j)T（固定）2值化b(i,j)+g(i,j)g(i,j)+Tf(i,j)固定閾值b(i,j)可變閾值二值化方法的改進第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量平均圖像比較法該方法把全投光情況下的輸入圖像h(i,j)和無投光情況下的輸入圖像g(i,j)的平均圖像作為可變閾值對模式光照射下的輸入圖像f(i,j)進行二值化處理，將灰度差分大于可變閾值的像素劃歸有光照射區(qū)域；否則，劃歸無光照射區(qū)域。該方法不僅可以消除由背景照明帶來的不良影響，而且還可以抑制由物體表面反射率的不一致所帶來的不良影響。f(i,j)2值化b(i,j)h(i,j)g(i,j)+12h(i,j)(g(i,j)+h(i,j))/2g(i,j)b(i,j)可變閾值二值化方法的改進第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量二值化方法的改進互補模式比較法該方法通過先后投影亮度上互補的兩個模式光到待測物體上以從觀測圖像中檢測出相應(yīng)的在正模式光照射下的有光照射區(qū)域。這里，所謂的正模式光與欲投影的模式光相同，而負模式光則是相應(yīng)正模式光在亮度上的反轉(zhuǎn)。具體言之，在正、負模式光照射下得到的兩幅輸入圖像被直接進行比較，當正模式輸入圖像f+(i,j)上的待處理像素大于負模式輸入圖像f-(i,j)上的對應(yīng)像素時，該待處理像素被劃歸有光照射區(qū)域；否則，劃歸無光照射區(qū)域。該方法由于采用了正、負模式光兩次投影的工作方式，具有類似于差動技術(shù)的一些特性，能夠消除由背景照明、物體表面反射特性的不均勻性以及輸入的非線性引入的不良影響，實現(xiàn)穩(wěn)定和高精度的二值化處理。f+(i,j)2值化b(i,j)f-(i,j)f+(i,j)f-(i,j)b(i,j)可變閾值；第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量投影模式邊界的內(nèi)插正模式光負模式光圖像掃描行ADBCOYX直線AD的方程為：

y-A=-(A-D)x直線BC的方程為：

y-B=(C-B)xA-B(A-B)-(D-C)x=解之，有：第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四距離圖像的高精度測量對測量誤差有抑制作用的空間編碼方案101000011011