[發(fā)明專利]一種基于圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210019857.9
• 申請日: 2012-01-20
• 公開（公告）號: CN102609983A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉陳;劉輝龍;劉德明
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 周發(fā)軍

1.一種基于多幅圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1：復(fù)數(shù)個相機(jī)標(biāo)定：靶標(biāo)位置固定，改變相機(jī)相對于靶標(biāo)的距離及拍攝角度，確定相機(jī)內(nèi)外參數(shù)；

S2：閃電圖像獲取：獲取不同位置、同一時刻的多幅閃電圖像；

S3：閃電輪廓抽取：去除圖像中背景信息，抽取閃電部分，對閃電部分的雙輪廓抽取出其中心曲線作為最終的輪廓曲線；

S4：閃電匹配：以其中一幅圖像中的閃電點(diǎn)作為待匹配點(diǎn)在另一幅圖像中進(jìn)行極性約束得到候選匹配點(diǎn)，然后利用閃電曲線斜率互相關(guān)進(jìn)行最終匹配；

S5：匹配點(diǎn)空間定位：根據(jù)立體視覺數(shù)學(xué)模型計算出空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，完成閃電三維重建。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多幅圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，其特征在于，所述相機(jī)標(biāo)定包括，將靶標(biāo)鉛直放置于相機(jī)前方，以其中一臺相機(jī)所在地建立世界坐標(biāo)系，其它相機(jī)所在地放置靶標(biāo)的位置建立相應(yīng)的偽世界坐標(biāo)系；世界坐標(biāo)系和偽世界坐標(biāo)系均以水平面為基準(zhǔn)，且其X軸、Y軸、Z軸的朝向完全相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于多幅圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，其特征在于，所述閃電輪廓抽取包括，對圖像灰度用K均值聚類法將圖像分割成1，2，..，n層圖像，第n層為閃電的部分；同時對傳統(tǒng)的K均值聚類法進(jìn)行改進(jìn)：考慮第n-1層中每個點(diǎn)對聚類貢獻(xiàn)的權(quán)重，設(shè)定權(quán)重閾值，取出權(quán)重大于閾值的點(diǎn)；第n-1層圖像中，圖像矩陣(i，j)處的點(diǎn)的權(quán)重d(i，j)的定義如下：

d(i,j)=1I(i,j)-Cn-1]]>

其中，C_n-1為第n-1層聚類中心的灰度值，I(i，j)為圖像矩陣(i，j)處的灰度值。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多幅圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，其特征在于，所述閃電輪廓抽取還包括：利用差分算子計算圖像的橫向梯f₁(i，j)和縱向梯度f₂(i，j)；在每一行中，對單獨(dú)這一行的所有的像素的梯度值構(gòu)成的離散序列求出其中梯度為極值的像素；若這一行中兩個極值像素點(diǎn)滿足下列條件：列號小的像素是極大值，列號大的像素是極小值，并且兩個像素之間沒有其他極值點(diǎn)；則這兩個極值像素點(diǎn)之間的所有像素均為閃電點(diǎn)；在每一列中，對單獨(dú)這一列的所有的像素的梯度構(gòu)成的離散序列求出其中梯度為極值的像素；若這一列中兩個極值像素點(diǎn)滿足下列條件：行號小的像素是極大值，行號大的像素是極小值，并且兩個像素之間沒有其他極值點(diǎn)；則這兩個極值像素點(diǎn)之間的所有像素均為閃電點(diǎn)；對得到的閃電部分，抽取出閃電部分的雙輪廓中心曲線，得到每幅圖像中用輪廓曲線序列點(diǎn)E(m，k)表示的點(diǎn)；

E(m，k)表示圖像中第m條閃電分支輪廓曲線上的第k個順序點(diǎn)，E_l(m，k)、E_r(m，k)分別表示左、右圖像上的點(diǎn)；用XE(m，k)表示這個點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)，用YE(m，k)表示這個點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的縱坐標(biāo)，BE(m，k)表示這個點(diǎn)的灰度；

橫向梯f₁(i，j)和縱向梯f₂(i，j)的計算公式如下：

f₁(i，j)＝I(i，j)-I(i，j-1)

f₂(i，j)＝I(i，j)-I(i-1，j)

其中I(i，j)為圖像矩陣(i，j)位置處的像素灰度值。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多幅圖像及立體視覺的閃電三維重建方法，其特征在于，所述的步驟S4還包括：

S4-1：獲取極線約束方程：多臺攝像機(jī)是兩兩分為一組，每一組中的相機(jī)分別稱作左相機(jī)和右相機(jī)，左相機(jī)拍攝的圖像稱為左圖像，右相機(jī)拍攝到的圖像稱為右圖像；對左圖像中得到的閃電的邊緣曲線上的每一點(diǎn)利用基本矩陣F求出其在右圖像上的極線方程；

記待匹配象素點(diǎn)d_l為左圖像矩陣(i，j)位置處的點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，dl＝[j，i，1]’，記Q為這個點(diǎn)在右圖像上對應(yīng)的極線方程，則Q的表達(dá)式如下：

Q＝F·d_l

得到的Q是一個包含三個元素的列向量；

圖像像素坐標(biāo)系下，Q可表示y＝ax+b的形式，記Q(i)(i＝1，2，3)代表Q的第i個元素，則：

a＝-Q(1)/Q(2)

b＝-Q(3)/Q(2)

若極線垂直于x軸，則應(yīng)把Q表示為x＝c的形式：

c＝-Q(3)/Q(1)

S4-2：對右圖像極線約束得到候選匹配點(diǎn)；將左圖像中待匹配閃電點(diǎn)P_l0表示成如權(quán)利4所描述的輪廓曲線序列點(diǎn)的形式，P_l0＝El(m，k)；在右圖像中極線與閃電輪廓曲線相交得到至少一個交點(diǎn)，與右圖像第n條閃電分支相交于點(diǎn)P_rn，將交點(diǎn)表示成輪廓曲線序列點(diǎn)的形式P_rn＝E_r(n，g)；經(jīng)過極線約束后，候選匹配點(diǎn)為P_rn所在的曲線上以P_rn為中心的總數(shù)目為h的點(diǎn)序列E_r(n，g+i)(-(h-1)/2＜i＜(h-1/2)；

S4-3：獲得最終匹配點(diǎn)：為了建立P_l0和如S4-2中所述的候選匹配點(diǎn)的匹配關(guān)系，將以P_l0為中心的的鄰域曲線與以候選匹配點(diǎn)為中心的領(lǐng)域曲線進(jìn)行相似度比較，相似度是根據(jù)斜率互相關(guān)方式計算，所有候選匹配點(diǎn)中鄰域曲線與P_l0的鄰域曲線相似度最大的點(diǎn)P_raxm，且相似度滿足閾值要求的點(diǎn)就是最終匹配點(diǎn)；左圖像上的點(diǎn)E_l(p，s)的領(lǐng)域曲線和和右圖像上的點(diǎn)E_r(q，b)的領(lǐng)域曲線相似度的計算公式如下：

CC=Σi=-(w-1)/2(w-1)/2[I(XEl(p,a+i),YEl(p,a+i))-T(XEr(q,b+i),YE(q,b+i))]2]]>

其中I(x，y)為左圖像在像素坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(x，y)的點(diǎn)與曲線上的前一像素點(diǎn)相連得到的直線在像素坐標(biāo)系中的斜率，I(XE_l(p，a+i)，YE_l(p，a+i))的計算公式如下：

I(XE_l(p，a+i)，YE_l(p，a+i))＝(YE_l(p，a+i)-YE_l(p，a+i-1))/(XE_l(p，a+i)-XE_l(p，a+i-1))

T(x，y)為右圖像在像素坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(x，y)的點(diǎn)與曲線上的前一像素點(diǎn)相連得到的直線在像素坐標(biāo)系中的斜率。