雙目立體視覺系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸方位計算與特征點(diǎn)立體匹配

王小娟+劉丙才

摘 要 雙目立體視覺是計算機(jī)視覺的一個研究熱點(diǎn)，它是利用兩個攝像機(jī)對同一物體從不同角度獲取圖像，并根據(jù)幾何原理實(shí)現(xiàn)三維輪廓信息的重建。本文針對“激光線掃描口腔教學(xué)評估系統(tǒng)”，采用MATLAB與OpenCV相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了不同高度處標(biāo)定物中心點(diǎn)直線擬合的旋轉(zhuǎn)軸方位確定與圖像立體匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該標(biāo)定法簡單可靠，轉(zhuǎn)軸具有較好的穩(wěn)定性，根據(jù)圖像立體匹配所得到的視差圖可較好的完成牙頜模型的三維輪廓重建。

關(guān)鍵詞 雙目立體視覺 轉(zhuǎn)軸方位 直線擬合 立體匹配

中圖分類號：T311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

雙目立體視覺是計算機(jī)視覺的一個重要分支，可以很好地模擬人類雙眼的立體成像原理，利用兩個成像傳感器在同一時間從不同位置拍攝同一物體，對獲得的兩幅圖像進(jìn)行差別分析，得到特征點(diǎn)的位置偏差，再利用視差原理提取坐標(biāo)信息，構(gòu)建三維輪廓。本文研究的雙目立體視覺系統(tǒng)基于一個旋轉(zhuǎn)平臺，該平臺繞其中心軸線做指定角度的旋轉(zhuǎn)多方位拍攝，因此，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸方位的標(biāo)定會直接影響物體的三維重構(gòu)精度。同時，特征點(diǎn)的立體匹配也是雙目立體視覺的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

本文針對三維激光線掃描測量系統(tǒng)，自行設(shè)計標(biāo)定物，采用雙目立體視覺系統(tǒng)獲取不同位置處的標(biāo)定物圖像，通過特征點(diǎn)提取和橢圓擬合獲得旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的方位，同時利用標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行匹配點(diǎn)搜索，實(shí)現(xiàn)物體三維輪廓的重建。

1轉(zhuǎn)軸方位計算原理

本文采用標(biāo)定物，將其固定在旋轉(zhuǎn)平臺的中心位置，隨著旋轉(zhuǎn)臺的平移掃描和旋轉(zhuǎn)掃描，采集不同高度處標(biāo)定物旋轉(zhuǎn)一周的若干幅圖像。為直觀表達(dá)旋轉(zhuǎn)臺與地面間的方位關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)臺的軸線設(shè)計為45度夾角，以旋轉(zhuǎn)臺中心為原點(diǎn)，以水平掃描方向?yàn)閤軸，建立物空間坐標(biāo)系Ow-XwYwZw；以標(biāo)定物的中心O0為原點(diǎn)，以CCD的光心OC與OO的連線作為Zc的方向，建立像空間坐標(biāo)系OcXcYcZc，用來描述關(guān)于激光器呈對稱分布的左右兩個CCD的位置。

不考慮鏡頭畸變，空間中任意一點(diǎn)在圖像上的成像位置可用小孔模型近似表示，它在像空間與物空間坐標(biāo)系的變換關(guān)系可用（1）式表示：

（1）

其中，f為CCD的有效焦距，R為33的正交單位旋轉(zhuǎn)矩陣，T為三維平移向量。這種基于旋轉(zhuǎn)并平移掃描來測量標(biāo)定圓點(diǎn)輪廓的方法，根據(jù)空間透視投影變換模型，該圓形標(biāo)志點(diǎn)投影到像平面上會變成橢圓，利用橢圓擬合法可以計算出投影橢圓的中心，將橢圓中心與其對應(yīng)的圓形標(biāo)志點(diǎn)的中心作為像平面與空間坐標(biāo)系之間的對應(yīng)拓?fù)潼c(diǎn)，計算旋轉(zhuǎn)軸位置。標(biāo)定物只需要固定一次即可完成標(biāo)定，算法簡單，標(biāo)定速度快。

2測量實(shí)例

2.1系統(tǒng)搭建

本文以實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的“激光線掃描口腔教學(xué)評估系統(tǒng)”為實(shí)驗(yàn)平臺，該系統(tǒng)主要由兩個專業(yè)CCD相機(jī)、半導(dǎo)體激光器和計算機(jī)組成，通過運(yùn)動控制卡MPC08驅(qū)動激光器作為投影光刀，在預(yù)備牙體表面作水平掃描和旋轉(zhuǎn)掃描，由CCD采集光條圖像并經(jīng)串口傳輸至計算機(jī)，再利用MATLAB進(jìn)行相移解碼等處理，確定測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時提取預(yù)備牙體的曲面形態(tài)信息進(jìn)行圖像立體匹配，重構(gòu)預(yù)備牙體三維形貌，實(shí)現(xiàn)非接觸測量。

2.2轉(zhuǎn)軸方位的標(biāo)定

由于加工及裝調(diào)誤差，使得旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸與水平導(dǎo)軌平面之間的夾角并非嚴(yán)格的45€埃備萃甘油隊(duì)霸恚殘偽曛鏡慍上裨諫閬窕南衿矯嫖煌衷病2捎肕ATLAB軟件，對采集到的系列標(biāo)志點(diǎn)圖像進(jìn)行處理過程，根據(jù)橢圓擬合方程得到橢圓中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)值。

在標(biāo)志物下面放置10mm高的標(biāo)準(zhǔn)量塊改變其高度，重新提取擬合橢圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)的像素值，根據(jù)直線擬合方法，可以得到旋轉(zhuǎn)臺軸線相對于左右CCD的位置和方位。

所得到的直線擬合方程為：

2.3圖像立體匹配

立體匹配就是在左右相機(jī)所獲取的圖像之間建立同一個像素點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，得到視差圖以恢復(fù)該特征的空間坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)三維重建。本文采用基于局部優(yōu)化的匹配算法，在OpenCV中利用“絕對誤差累計”的窗體對左右兩幅無畸變圖像中的相同點(diǎn)進(jìn)行快速有效的匹配，可以匹配出較強(qiáng)的紋理點(diǎn)。

像素點(diǎn)的灰度值可以代表牙頜模型的基本輪廓和相對于CCD相機(jī)的放置位置，像素點(diǎn)的灰度值越大，表示該位置靠近CCD，牙齒肩臺的深度值也較小。同時在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)選取合適的基線長度，也就是兩個攝像機(jī)的投影中心連線的距離，以保證牙頜模型成像在左右CCD上時盡量不被遮擋。

2.4牙頜模型的三維重建

在旋轉(zhuǎn)臺標(biāo)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合左右攝像機(jī)同時拍攝到的牙頜模型的視差圖，可以得到某一角度的牙頜三維信息。將牙頜模型放置在旋轉(zhuǎn)臺上，間隔一定角度對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，可以獲得牙齒多個視角的三維信息。

3結(jié)論

本文將激光線掃描方法與雙目立體視覺系統(tǒng)相結(jié)合，針對實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的“激光線掃描口腔教學(xué)評估系統(tǒng)”，采用2個CCD相機(jī)采集不同高度處的標(biāo)志點(diǎn)圖像，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)圖像處理并提取標(biāo)志點(diǎn)中心的坐標(biāo)參數(shù)，利用直線擬合法確定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸方位，在此基礎(chǔ)上采用OpenCV進(jìn)行圖像的立體匹配并完成牙頜模型的三維重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性良好，不同高度處中心點(diǎn)直線擬合的轉(zhuǎn)軸標(biāo)定方法簡單可靠，根據(jù)立體匹配的視差圖可以較好的重建牙頜模型的三維輪廓。

參考文獻(xiàn)

[1] 狄紅衛(wèi)，柴穎，李逵.一種快速雙目視覺立體匹配算法[J].光學(xué)學(xué)報，2009，29（8）：2180-2184.

[2] 尹茂東.基于旋轉(zhuǎn)平臺的物體表面三維重建研究[D].山東：青島大學(xué)，2007.