基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法技术

一种基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法，由获取目标的线偏振子图像、获取目标的偏振度图像、获取目标的偏振角图像、获取目标表面法线天顶角图像、消除目标表面法线方位角歧义、重构目标的三维形状步骤组成。本发明专利技术通过偏振探测建立物体表面法线与偏振信息之间的关系，由偏振信息获取物体表面信息并恢复其三维形状。提出了基于天顶角的特征消除方位角歧义的方法，克服了现有技术中三维重构实现条件苛刻、所需设备销售价格高等缺点，实现了重构速度快、应用范围广的单目偏振三维重构成像。本发明专利技术具有光学信息获取方式便捷、对环境光要求低、所需仪器设备简单等优点。所需仪器设备简单等优点。所需仪器设备简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法


[0001]本专利技术涉及光学三维成像
，具体涉及到一种基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法。

技术介绍

[0002]随着光学三维成像技术在工业检测、医药行业以及交通运输等领域的应用越来越广泛，偏振三维成像方法受到了人们的广泛关注。偏振三维成像方法需要消除表面法线方位角的歧义，当前常见的消除表面法线方位角歧义的方案包括：将光度立体视觉法和偏振信息相结合实现表面法线方位角的消歧义，将飞行时间法获取的深度数据和偏振信息相结合实现表面法线方位角的消歧义，以及将阴影恢复法和偏振信息相结合实现表面法线方位角的消歧义等。
[0003]以上方法的限制在于其实现条件苛刻，需要采用多个光源或多个探测器，或对待重构目标表面有特定要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种光学信息获取方式便捷、对环境光要求低、所需仪器设备简单的基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法。
[0005]解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：
[0006](1)获取目标的线偏振子图像
[0007]1)用相机拍摄场景的强度图像，获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135/>(i,j),其中，i、j分别为图像的行序号数和列序号数，i、j的取值为有限的正整数。
[0008]2)将四幅线偏振子图像U0(i,j)、U
45
(i,j)、U
90
(i,j)、U
135
(i,j)进行阈值分割，获取目标的0
°
线偏振子图像I0(i,j)、45
°
线偏振子图像I
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像I
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像I
135
(i,j)。
[0009](2)获取目标的偏振度图像
[0010]按式(1)获取目标的偏振度图像DoP(i,j)：
[0011][0012]S0(i,j)＝I0(i,j)+I
90
(i,j)
[0013]S1(i,j)＝I0(i,j)
‑
I
90
(i,j)
[0014]S2(i,j)＝I
45
(i,j)
‑
I
135
(i,j)
[0015]其中，S0(i,j)为目标的总光强度图像，S1(i,j)为目标在0
°
方向和90
°
方向线偏振光的光强度差图像，S2(i,j)为目标在45
°
方向和135
°
方向线偏振光的光强度差图像。
[0016](3)获取目标的偏振角图像
[0017]按式(2)获取目标的偏振角图像
[0018][0019](4)获取目标表面法线天顶角图像
[0020]按式(3)获取目标表面法线天顶角图像θ(i,j)：
[0021][0022]其中，n为目标材料介质的折射率，n取值为1.3～3。
[0023](5)消除目标表面法线方位角歧义
[0024]1)按式(4)获取目标表面法线初估方位角图像φ(i,j):
[0025][0026]2)标记目标表面法线天顶角图像第i行像素所有天顶角的局部最小值为θ(i,p
i,a
)，p
i,a
表示目标表面法线天顶角图像第i行像素中天顶角值的第a个局部最小值所对应像素的列序号数。
[0027]3)按式(5)消除目标表面法线方位角歧义，确定目标表面法线方位角图像第i行第j列像素的方位角φ'(i,j)：
[0028][0029]其中，b为目标表面法线天顶角图像第i行像素中天顶角的局部最小值的个数，k取值为[1,b
‑
1]的正整数。
[0030](6)重构目标的三维形状
[0031]按式(6)确定目标表面法线的方向向量N(i,j)：
[0032][0033]对表面法线方向的向量N(i,j)积分确定目标表面深度大小。
[0034]在本专利技术的(1)获取目标的线偏振子图像步骤的1)步骤中，所述的获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)通过以下方法实现：
[0035]用分焦平面偏振相机拍摄场景的强度图像，根据偏振相机固有的由2
×
2像素组合而成的超级像素的排布方法，重新分解原始强度图，获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)。
[0036]在本专利技术的(1)获取目标的线偏振子图像步骤的1)步骤中，所述的获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)通过以下方法实现：
[0037]用强度相机及其前置的旋转线偏振片装置，拍摄获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)。
[0038]在本专利技术的(1)获取目标的线偏振子图像步骤的步骤2)中，所述的将四幅线偏振子图像U0(i,j)、U
45
(i,j)、U
90
(i,j)、U
135
(i,j)进行阈值分割，获取目标的0
°
线偏振子图像I0(i,j)、45
°
线偏振子图像I
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像I
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像I
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取目标的线偏振子图像1)用相机拍摄场景的强度图像，获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j),其中，i、j分别为图像的行序号数和列序号数，i、j的取值为有限的正整数；2)将四幅线偏振子图像U0(i,j)、U
45
(i,j)、U
90
(i,j)、U
135
(i,j)进行阈值分割，获取目标的0
°
线偏振子图像I0(i,j)、45
°
线偏振子图像I
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像I
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像I
135
(i,j)；(2)获取目标的偏振度图像按式(1)获取目标的偏振度图像DoP(i,j)：S0(i,j)＝I0(i,j)+I
90
(i,j)S1(i,j)＝I0(i,j)
‑
I
90
(i,j)S2(i,j)＝I
45
(i,j)
‑
I
135
(i,j)其中，S0(i,j)为目标的总光强度图像，S1(i,j)为目标在0
°
方向和90
°
方向线偏振光的光强度差图像，S2(i,j)为目标在45
°
方向和135
°
方向线偏振光的光强度差图像；(3)获取目标的偏振角图像按式(2)获取目标的偏振角图像按式(2)获取目标的偏振角图像(4)获取目标表面法线天顶角图像按式(3)获取目标表面法线天顶角图像θ(i,j)：其中，n为目标材料介质的折射率，n取值为1.3～3；(5)消除目标表面法线方位角歧义
1)按式(4)获取目标表面法线初估方位角图像φ(i,j):2)标记目标表面法线天顶角图像第i行像素所有天顶角的局部最小值为θ(i,p
i,a
)，p
i,a
表示目标表面法线天顶角图像第i行像素中天顶角值的第a个局部最小值所对应像素的列序号数；3)按式(5)消除目标表面法线方位角歧义，确定目标表面法线方位角图像第i行第j列像素的方位角φ'(i,j)：其中，b为目标表面法线天顶角图像第i行像素中天顶角的局部最小值的个数，k取值为[1,b
‑
1]的正整数；(6)重构目标的三维形状按式(6)确定目标表面法线的方向向量N(i,j)：对表面法线方向的向量N(i,j)积分确定目标表面深度大小。2.根据权利要求1所述的基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法，其特征在于：在(1)获取目标的线偏振子图像步骤的1)步骤中，所述的获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)通过以下方法实现：用分焦平面偏振相机拍摄场景的强度图像，根据偏振相机固有的由2
×
2像素组合而成的超级像素的排布方法，重新分解原始强度图，获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90
°
线偏振子图像U
90
(i,j)、135
°
线偏振子图像U
135
(i,j)。3.根据权利要求1所述的基于天顶角定位的单目偏振三维重构成像方法，其特征在于：在(1)获取目标的线偏振子图像步骤的1)步骤中，所述的获取场景的0
°
线偏振子图像U0(i,j)、45
°
线偏振子图像U
45
(i,j)、90<...

【专利技术属性】
技术研发人员：任立勇，马菲雅，梁健，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：