(lb) 将两帧周期互质的方波模板IjP I2调制成单帧复合模板P，计算该单帧复合模板 P中各个像素点（X，y)的强度值： P (x, y) = A (x, y) +I1^B1 (x, y) cos (2 π fcly) +I2^B2 (x, y)cos(2 π fc2y) 其中，A(x，y)为各个像素点的直流分量，B1(Xj)为调制第一方波模板I1的余弦条纹波 在各个像素点上的幅值，4为调制第一方波模板I1的余弦条纹波的载波频率，B2 (x，y)为 调制第二方波模板I2的余弦条纹波在各个像素点上的幅值，f。2为调制第二方波模板I 2的 余弦条纹波的载波频率； (2) 将投影仪T与摄像机V竖直放置，并使两者光轴平行，用投影仪T将所述的单帧复 合模板P投射到目标物体0上； (3) 通过摄像机V拍摄单帧复合模板P经过目标物体0调制后的变形图像I，并传回至 计算机C ; (4) 计算机C对摄像机V拍摄到的变形图像I进行解调，得到编码在变形图像I中的两 帧周期互质的方波模板r i (X'，y'）和Γ 2 (X'，y'），用Gabor滤波器分别计算这两帧方波 模板中像素点（x'，y'）处的截断相位巧(<，)和％(·?，/'); (5) 根据这两帧方波模板中像素点（x'，y'）处的截断相位:《>·')和％(λ-'，/),利用互 质定理，求解变形图像I中像素点（X'，y'）的截断相位展开值Φ (X'，y'）； (6) 利用变形图像I中像素点（X'，y'）的截断相位展开值Φ (X'，y'），在单帧复合模板 P中，求取与变形图像I中像素点（X'，y'）相匹配的像素点（X，y); (7) 以摄像机V光心为原点建立世界坐标系，世界坐标系的X轴沿摄像机成像平面的水 平方向，世界坐标系的y轴沿摄像机成像平面的竖直方向，世界坐标系的z轴与摄像机成像 平面垂直；根据三角测距原理，由变形图像I中像素点（X'，y'）与在单帧复合模板P中相匹 配的像素点（x，y)的空间几何关系，计算待测物体的深度信息值Z w:
其中，Xw，Zw*别为目标物体0在世界坐标系下沿X轴、z轴的坐标值，X为在单帧复合 模板中匹配的像素点（X，y)的行坐标，f为摄像机V的焦距，b为摄像机V光心和投影仪T 光心的水平距离，MtS单帧复合模板P的总行数，hpp为投影仪T中单个像素所代表的实际 高度。
2. 根据权利要求1所述的基于单帧复合模板的物体深度信息获取方法，其中步骤（4) 所述的计算机C对摄像机V拍摄到的变形图像I进行解调，按如下步骤进行： (4. 1)采集变形图像I在像素点（X'，y'）处的强度值： I(x，，y，）=A，（x'j'KlJx'j'hB/ (X，，y，）C〇S(2 3if，cly，） +I2 (x，，y，）*B2,（x，，y，）cos (2 π f ' c2y，）+n (x，，y，）， 其中，A'（x'，y'）是单帧复合模板中各个像素点的直流分量经物体调制后的量， Mx'j'）和I2(x'，y'）是两帧方波模板在各个像素点上的强度经物体调制后的量， i (X'，y'）是调制第一方波模板的余弦条纹波在各个像素点上的幅值经物体调制后的 量，d是调制第一方波模板的余弦条纹波载波频率经物体调制后的频率，B' 2 (X'，y'）是 调制第二方波模板的余弦条纹波在各个像素点上的幅值经物体调制后的量，f'。2是调制 第二方波模板的余弦条纹波载波频率经物体调制后的频率，η(X'，y'）是各个像素点上的环 境噪声； (4. 2)沿列方向，对变形图像I用带通滤波器滤波，提取出调制第i个方波模板的余弦 条纹波载波频段，得到滤波后图像C，该图像在各个像素点（X'，y'）上的强度值为：
(4.3)对带通滤波器滤波后得到的图像广平方后，计算各个像素点（x'，y'）上的强度 值.
(4. 4)将图像铲平方后的结果经过低通滤波器滤波后，得到各个像素点上的强度值为
有开平方运算，即从摄像机V拍摄到的变形图像I中解调 得到两帧周期互质的方波模板r i (X'，y'）和I' 2 (X'，y'）。
3. 根据权利要求1所述的基于单帧复合模板的物体深度信息获取方法，其中步骤（4) 所述的用Gabor滤波器分别计算这两帧方波模板中像素点（X'，y'）处的截断相位例(.χΛ.ν'） 和约(.ν'，.ν')，按如下步骤进行： (4. 5)计算得到的两帧周期互质的方波模板I' i (X'，y'）和Γ 2 (X'，y'）中各个像素点 (X'，y'）的强度值为：
其中，Ci是方波模板的幅值，a i是方波模板的直流分量，？T是方波模板的周期； (4. 6)根据方波模板的强度值P i (X'，y'）仅与行方向的坐标值X'有关的特性，沿 行方向将方波模板U 1与Gabor滤波器进行卷积得到复数z i，通过下式得到各个像素点 (X'，y'）处的截断相位仍:
其中，Im( ·)为取复数的虚部操作，Re( ·)为取复数的实部操作，arctan( ·)为取函 数反正切操作。
4. 根据权利要求1所述的基于单帧复合模板的物体深度信息获取方法，其中步骤（5) 所述的利用互质定理，求解变形图像I中像素点（X'，y'）的截断相位展开值Φ (X'，y'），按 如下步骤进行： (5. 1)将两帧方波模板U i中各个像素点的行方向的坐标值x'与截断相位0(夂/) 和％ (X'，)'')的关系表不为：
其中，V是解调得到方波模板r 的周期值，C是解调得到方波模板 I'2(x'，y'）的周期值，且C和C两者互质，n是第一帧方波模板中截断相位展开值对应的 周期数，m是第二帧方波模板中截断相位展开值对应的周期数。 (5. 2)联立上述两个方程，由互质定理求解出第一帧方波模板中截断相位展开值对应 的周期数n，计算变形图像I中像素点（X'，y'）的截断相位展开值Φ (X'，y'）：
5.根据权利要求1所述的基于单帧复合模板的物体深度信息获取方法，其中步骤（7) 所述的根据三角测距原理，计算待测物体的深度信息值Zw，按如下步骤进行： (7. 1)计算目标物体0在世界坐标系下沿X轴的坐标值： Xw= (x'-M/2)wcp 其中，X'为变形图像I中像素点（x'，y'）的行坐标，M为变形图像I的总行数，Wc;p为摄 像机V中单个像素所代表的实际宽度； (7. 2)计算待测物体的深度信息值Zw:
其中，Xw，Zw*别为目标物体0在世界坐标系下沿X轴、z轴的坐标值，X为在单帧复合 模板中匹配的像素点（X，y)的行坐标，f为摄像机V的焦距，b为摄像机V光心和投影仪T 光心的水平距离，MtS单帧复合模板P的总行数，hpp为投影仪T中单个像素所代表的实际 高度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于单帧复合模板的物体深度信息获取方法，解决了现有时间编码方式耗时长的缺点。其实现步骤为：1)设计单帧复合模板P；2)利用单帧复合模板得到变形图像I；3)从变形图像I中解调得到两帧周期互质的方波模板I1'和I'2；4)用Gabor滤波器计算这两帧方波模板中各个像素点的截断相位和5)通过截断相位和求解截断相位展开值Φ；6)由Φ求解变形图像I中像素点(x',y')在单帧复合模板P中的匹配点(x,y)；7)根据像素点和匹配点的几何关系，求解待测物体的深度信息值。本发明提高了物体深度信息获取的速度和精度，可用于工业监控、医学科学、人机交互及3D打印场景。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104680534
【申请号】CN201510101209
【发明人】石光明, 杨莉莉, 李甫, 谢雪梅, 李若岱, 高哲峰
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月9日