快照式多光谱三维成像方法研究

【摘要】：随着计算机视觉的发展与应用,如何快速、准确地从目标场景的二维图像信息还原深度数据成为了一个重要课题,并且在多个领域有着重要的研究和应用意义,如工业检测、医疗诊断、机器人等。目前已有的基于视觉的深度恢复方法难以同时兼顾准确性、时间效率、测量范围等多项指标要求,在此背景下,本文提出一种快照式多光谱三维成像方法。该方法采用结合纵向色散增强透镜的快照式多光谱相机,一次成像采集不同离焦程度的多波段光谱图像,并在离焦模糊理论的基础上对图像分析处理,实现单目单帧、快速准确的深度恢复。主要研究内容如下:(1)基于多光谱图像边缘梯度比值的深度恢复方法。该方法以几何光学成像和离焦退化模型为基础,通过建立各波段图像边缘中心梯度比值与深度之间的关系实现深度恢复。针对该方法,提出一种通过刻度点扩散函数(Point Spread Function,PSF)随深度的变化曲线及对比评价图像清晰度实现参数标定的方法,在求取图像边缘梯度时采用Canny算子进行边缘检测。(2)基于多光谱图像边缘梯度差动运算的深度恢复方法。该方法通过刻度各波段图像边缘中心梯度的差动运算值随深度变化的关系曲线实现深度恢复,得到稀疏边缘深度图后,借助软抠图(Matting)算法扩展得到全局深度信息,并采用L0梯度最小化算法实现全局深度图修正。(3)多光谱图像近自然色彩还原。参照Bayer阵列彩色插值算法,采用双线性插值算法对快照式多光谱图像进行插值分离,并借助白平衡算法实现多光谱图像色彩还原。(4)对多光谱三维成像方法进行实验验证。设计实验对以上两种深度恢复方法进行对比分析。由实验结果可知,基于多光谱图像边缘梯度差动运算的深度恢复方法能够在5-54cm的深度范围内实现偏差小于±1cm的深度恢复,平均单帧用时0.083s,测量范围更大且耗时更少。最后将色彩还原图像与三维数据融合,得到更适于人眼观察的近自然彩色多光谱三维成像。本文提出的快照式多光谱三维成像方法的创新点在于:(1)能够实现快速准确的单目单帧深度恢复,运算量小、算法复杂度低、标定步骤简易;(2)在深度恢复的同时可获取场景特征光谱信息,有助于三维空间物体特征识别;(3)设备简单轻便、耗电量低,便于户外动态检测。