双目CCD结构光三维测量系统中的立体匹配

　　1　引　言

　　在反向工程中,准确、快速、完备地获取实物的三维几何数据,即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理,是实现反求工程的重要步骤之一。常见的物体三维几何形状测量方法基本可分为接触式和非接触式2大类,双目CCD(电荷耦合器件Charge Coupled Devices)结构光测量技术作为非接触式,是目前世界上光学测量的最先进技术之一,在反向工程中有着广泛的应用。匹配是立体视觉中最复杂、最重要的环节,近年有许多文献提出恢复外极几何基础矩阵的算法,以实现两张未标定图像的匹配[1-2]。总结起来目前匹配方法可分为基于特征匹配、基于面积匹配和基于相位匹配。特征匹配主要以零交叉点和梯度为依据,受噪声影响较小,但仅能获得稀松的视差;面积匹配可以获得稠密的视差,但主要依据为灰度连续性,受噪声影响较大,尤其是对交叉摆放的双目CCD立体视觉系统,左右图像灰度变化不一致,核线互不平行,误匹配几率增大;相位匹配一般是针对核线平行而言,虽然将空间域转化为时间域,可同样存在邻域奇异性。立体视觉用于物体三维测量时,为增大测量面积,减少遮挡,提高测量精度,常采用交叉摆放的双目CCD立体视觉系统[3]。在交叉CCD测量系统中,由于核线不平行,立体匹配更为困难。文中针对反向工程中三维测量的特点,对被测物体投射解相光栅和编码光栅,用解相光栅进行解相得到折叠在[-π,π]区间内的相主值,用结构光编码方法进行相展开得到相位的周期,二者相加得到真实相位值,从而实现相同相位曲线的匹配,再根据外极约束特性,实现交叉摆放的双目CCD立体视觉系统像素级的立体匹配。

　　2　结构光编码、解码及相位求解

　　本文将结构光编码引入相展开领域。用该方法进行相展开,使过程变得相对简单,不依赖于路径,不存在误差的传播,对噪声的抗干扰能力强,与解相过程有机结合能够得到准确的周期。

　　2.1　基本原理

　　编码结构光如图1所示,此处仅以3幅编码结构光图像为例。

　　编码结构光是具有不同节距的一系列二值光栅,将这3幅光栅投射在物体上,被测空间被划分为8个区域。如果是n幅光栅,则被测空间划分为2n个区域。根据各个点在不同图像中的亮度进行编码,每个区域由一个3位二进制编码表示,有光栅的部分记为“0”,无光栅的部分记为“1”。这个编码是与该点所处的周期相联系的,因此可以由编码与周期的对应关系得到被测物体上栅线的周期分布,从而基本完成相展开过程。编码与周期的对应关系见图2。根据被测空间的大小以及对精度的要求,可以灵活调整投射编码结构光的数目,也即调整周期的数目。