使用非線性光度立體視覺方法獲取工具印痕的三維表面形態圖像技術

本發明專利技術描述了一種針對通常金屬表面、以及尤其是彈道證據的鏡面反射性質的方法和三維圖像獲取系統，通過確定和求解包括散射項和鏡面反射項的多組非線性方程式來確定表面法向向量場N(x,y)，并且利用N(x,y)來確定三維表面形態Z(x,y)，從而使用光度立體視覺。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及使用非線性光度立體視覺(photometric stereo)方法獲取的高度鏡面反射物體的表面形態圖像的領域。
技術介紹
彈道比較測試依賴于形成在彈道證據(ballistic piece of evidence (BPOE))(諸如子彈或彈殼)的表面上的條痕(striation)和印記(impression)。這些條痕具有代表槍械的獨特標志的獨特特征。通過比較兩個BPOE的條痕或印記特征，有可能推斷出它們是否從相同的槍械中發射。當獲取物體上某一區域的三維表面形態圖像(即，立體映射(map)Z (x，y))時，其中 Z是在位置(X，y)處的表面的局部高度，使用包括傳感器(或照相機)和光源的光學系統。照亮研究中的物體并且獲取被照亮表面的表面形態圖像。在彈道學領域，研究中的物體常常是非平面的并且很可能是鏡面反射的。這意味著從相對于局部表面法線N的角度Θ入射的大部分光將被反射在指向-Θ方向的小圓錐中。因此，如果將光源沿著傳感器的光軸放置，因為對于用于表面形態捕捉的許多光學方法事實是這樣，僅入射光中的極微小的部分被反射回傳感器中用于顯示重要斜面的表面形態的部分，導致局部無效的測量。存在一種測量物體的表面形態的完全不同的方法。根據該方法，稱為光度立體視覺，獲取表面的一組發光度(或高能亮度)圖像，其中該組中每個圖像具有不同的照明條件。如果假設表面的反射率恒定且光源的照明強度相同，并且如果表面是純散射性的(或朗伯型的(Lambertian)),貝U三個光源足以恢復表面法線場N(x, y)。表面的表面形態Z (x, y)通過法線場的積分獲得。但是，表面的發光度圖像受到噪聲影響，并且由于顏色和/或反照率的局部變化，表面反射率可能不是恒定的。通常的解決方案是使用更多數量的光源，以便過定義(overdefine)線性方程系統。然后通過誤差最小化過程(諸如卡方(chi square)誤差最小化方案)獲得表面法線場N(x，y)。如果光源的數量足夠大，人們甚至可以不測量光源的強度，或者甚至光源位置，并且通過擬合過程、主成分分析或者對于本領域技術人員已知的其它方法獲得這個信息。很少表面是真正散射性的，并且如果表面是平滑的或者有光澤的，則應用上述過程導致在表面形態的精確度方面獲得非常差的結果。但是，當觀察方向遠離對于特定光源的鏡面反射方向時，在一定程度上可能仍然保持表面上的光反射的朗伯(Lambert)模型。再次，當面對這種有光澤的或者平滑的材料時，通常的解決方案是通過使用不止三個光源來過定義問題，并且對于所形成圖像組的每個像素確定是否任何光源都產生朝向由非朗伯型貢獻支配的照相機的反射。如果發現這種條件，則在所考慮的像素的表面法線N的計算中忽略這個光源的貢獻。但是，當考慮彈道證據(BPOE)時，這些方法都不適用，因為表面是金屬的，這導致光反射的散射貢獻，若有的話，那是比鏡面反射貢獻更小的量級。因此，存在改進通常用于金屬表面的捕獲以及特別用于BPOE的光度立體視覺的需要。
技術實現思路
這里描述了一種用于應對通常金屬表面、特別是彈道證據的鏡面反射性質的方法和三維圖像獲取系統，通過確定和求解包括散射項和鏡面反射項的多組非線性方程式來確定表面法向向量場N(x, y),并且利用N(x, y)來確定三維表面形態Z (x, y),從而使用光度立體視覺。根據第一寬泛方面，提供了 一種用于確定物體的鏡面表面的三維表面形態Z (X，y)的方法，該方法包括從多個局部軸線方向相繼地照射物體的表面；使用具有與物體表面的總平面大體上垂直的傳感軸線的傳感器在物體表面的每個相繼的照射處獲取物體表面的至少一個圖像，從而產生具有相同視場(FOV)的一組發光度圖像；利用發光度圖像來提供并求解包括散射項(diffusive term)和鏡面反射項(specular term)的多組非線性方程式，從而確定表面法向向量場N (X，y);以及利用表面法向向量場N (X，y)來確定三維表面形態 Z (X，y)。根據第二寬泛方面，提供了一種用于確定物體的鏡面表面的三維表面形態Z (x，y)的系統，該系統包括用于獲取二維發光度圖像的傳感器，該傳感器具有大體上垂直于物體的總平面的傳感軸線；設置在多個局部軸線方向處的一組K個有效光源；以及計算機可讀介質，程序代碼存儲在計算機可讀介質上并且可由處理器執行，用于使K個有效光源從多個局部軸線方向相繼地照射物體的表面；使傳感器在物體表面的每個相繼的照射處獲取物體表面的至少一個圖像，從而產生具有相同視場(FOV)的一組發光度圖像；利用發光度圖像來提供并求解包括散射項和鏡面反射項的多組非線性方程式，從而確定表面法向向量場N(x, y);以及利用表面法向向量場N(x, y)來確定三維表面形態Z (x, y)。根據另一個寬泛的方面，提供了一種計算機可讀介質，該計算機可讀介質上已經被編碼光控制模塊的程序代碼，該光控制模塊的程序代碼可由一處理器執行，以使K個有效光源從多個局部軸線方向相繼地照射物體的表面；傳感器控制模塊的程序代碼，該傳感器控制模塊的程序代碼可由一處理器執行，以使傳感器在物體表面的每個相繼的照射處獲取物體表面的至少一個圖像，從而產生具有相同視場(FOV)的一組發光度圖像；以及表面形態生成模塊的程序代碼，該表面形態生成模塊的程序代碼可由一處理器執行，以利用發光度圖像來提供和求解包括散射項和鏡面反射項的多組非線性方程式，從而確定表面法向向量場N(x, y),并且利用表面法向向量場N(x, y)來確定三維表面形態Z(x, y)。在本說明書中，詞語“三維表面形態”用來指起伏表面Z (X，y)，其中Z是在垂直于傳感軸線的平面中在相對于傳感軸線的位置(x，y)處的表面的局部高度。術語“二維發光度圖像”應該理解為由光學照相機捕獲的發光度(或者高能亮度)的映射R(x，y)。它與在照相機的方向上由表面發出的光強度的映射成正比。以常用的語言，這被稱為攝影圖像。貫穿本文，可以理解發光度圖像是單通道的或者是單色的。因此，不會記錄顏色信息并且圖像的位深度(bit cbpth)指單通道的位深度。或者通過組合來自于不同顏色通道的信息或者通過僅僅考慮一個這種通道，也可以使用從彩色照相機獲得的單色圖像。還可以理解，照相機具有線性輻射響應，或者相反，照相機的輻射響應是已知的，使得捕獲的圖像可被線性化。術語“有效光源”應該理解為包括物理光源的總數以及當應用物理光源和/或觀察中的物體的連續旋轉時所使用的光源的有效總數兩者。附圖說明本專利技術的進一步的特征和優點通過下文中的結合附圖的詳細描述將變得顯而易見，附圖中圖1示出了用于利用非線性光度立體視覺方法獲取三維表面形態的系統的示例性實施例；圖2是示出用于獲取三維表面形態的非線性光度立體視覺方法的示例性實施例的流程圖；圖3是示出用于獲取具有多個灰度級的圖像的方法的示例性實施例的流程圖；圖4是示出用于計算有效蔽光框(mask)的方法的示例性實施例的流程圖；圖5是示出用于計算組合圖像和組合有效蔽光框的方法的示例性實施例的流程圖；圖6是示出在非線性光度立體視覺方法中用于計算的各種向量的示意圖；圖7是示出多步反射的示意圖；圖8是用于圖1的計算機系統的示例性實施例的框圖；以及圖9是示出用于多標高水平的一組光源的示例性實施例的示意圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.16 US 61/355,2411.一種用于確定物體的鏡面反射表面的三維表面形態z(x，y)的方法，所述方法包括 從多個局部軸線位置相繼地照射所述物體的表面；利用傳感器在所述物體的表面的每個相繼的照射處獲取所述物體的表面的至少一個圖像，從而產生具有相同視場(FOV)的一組發光度圖像，所述傳感器具有大體上垂直于所述物體的表面的總平面的傳感軸線；利用所述發光度圖像來提供并求解包括散射項和鏡面反射項的多組非線性方程式，以確定表面法向向量場N (x，y);以及利用所述表面法向向量場N(x, y)確定所述三維表面形態Z(x, y)。2.根據權利要求1所述的方法，還包括在相繼地照射所述物體的表面之前，校準參考平面并且用所述物體替換所述參考平面。3.根據權利要求2所述的方法，其中，校準所述參考平面包括在所述傳感器的焦距處在所述傳感器的視場中設置參考表面；從所述多個局部軸線方向相繼地照射所述參考表面；在每個相繼的照射處獲取至少一個校準發光度圖像；對于所述校準發光度圖像，計算一組特征值Ci (X，y)；確定最大特征值；通過所述最大值正規化所述一組特征值，以獲得一組正規化特征Mi ;以及從被除以所述正規化特征Mi的所述校準圖像的倒數獲得一組校準映射；其中對于源 i，校準圖像通過用第i個校準映射乘以捕獲圖像而獲得。4.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，還包括利用所述表面法向向量場N(x，y) 來觀察具有渲染引擎的所述物體。5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，相繼地照射所述物體的表面包括利用Q個物理光源和所述物體的或者所述物理光源的圍繞所述傳感器的所述傳感軸線的一系列P個旋轉來獲得所述K個局部軸線方向，K>Q。6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其中，獲取至少一個圖像包括定義一組M個不同的照相機積分時間；用所定義的積分時間中的每一個獲取一個圖像，從而獲取M個圖像；對于每一個圖像計算有效蔽光框；以及利用用所述積分時間中的每一個獲取的所述一個圖像和對應的有效蔽光框，計算具有比所獲取的圖像更高的位深度的組合圖像，以及計算組合有效蔽光框。7.根據權利要求6所述的方法，其中，對于每一個圖像計算所述有效蔽光框包括設定高強度閾值TH和設定低強度閾值TL ；以及對于所述一個圖像中的每個像素設定mask (X，y)值為TH和TL的函數。8.根據權利要求6至7中任一項所述的方法，其中，計算所述組合圖像和所述組合有效蔽光框包括從所述M個圖像獲得一組M個像素強度Ii (x，y)；從對于每個圖像的有效蔽光框獲得M個有效蔽光框值Maski (X，y)；計算對于組合圖像強度的臨時值；以及計算合成高位深度圖像和伴隨的合成有效蔽光框。9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，利用所述發光度圖像來求解所述一組非線性方程式包括對于所述發光度圖像的每個像素求解一組方程式，所述一組方程式鏈接第i個圖像的捕獲或校準發光度Ii與所述散射項和所述鏡面反射項之和，其取決于局部表面法線、發光方向和/或觀察方向。10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，還包括從所述一組發光度圖像中去除偏離所述物體的鏡面反射表面的多步反射的效果。11.一種用于確定物體的鏡面反射表面的三維表面形態Z(X，y)的系統，所述系統包括傳感器，用于獲取二維...

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝爾格·萊韋斯克，
申請(專利權)人：司法技術WAI公司，
類型：
國別省市：