[发明专利]一种基于GPU并行加速的实时三维变形测量方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU并行加速的实时三维变形测量方法，包括以下步骤：1)通过立体标定获得投影矩阵；2)拍摄物体变形前后的图像；3)选择兴趣区域和兴趣点；4)传输投影矩阵、图像和兴趣点到GPU；5)计算兴趣点变形前的三维坐标；6)计算兴趣点在变形中各个时刻的三维变形；7)将三维变形数据传输回CPU。该方法通过将变形前左相机图像作为所有匹配中的参考图像，从而兴趣点对应的Hessian矩阵等IC‑GN预计算的数据得以复用；基于CUDA异构计算平台开发的GPU加速变形测量程序可以发挥GPU硬件设备的计算性能，针对GPU程序的访存等优化技术使得三维变形测量的计算速度大大提高，满足了实时三维变形测量的需求。

技术领域

本发明涉及光学测量的技术领域，尤其是指一种基于GPU并行加速的实时三维变形测量方法。

背景技术

在科学和工程领域，三维数字图像相关法由于其装置简单和非接触式等优点被广泛应用于三维变形测量。三维数字图像相关法可以测量曲面物体的三维形貌和全场三维变形，具有非常丰富的应用场景。然而，由于其直接处理高分辨率的数字图像，其计算量也相当大，具有计算耗时长的问题。随着数字图像采集技术的发展，图像分辨率和采样率提高，这个问题愈发突出，限制了三维数字图像相关法在一些实时监测等场景下的应用。其次，作为测量方法，保持其高精度也十分重要。

近年来，研究人员为了提高三维数字图像相关法的计算效率付出了巨大的努力。然而这些研究的效果还不尽如人意，始终在精度和效率之间取舍。现存在不少的方案通过优化相关算法、减少冗余计算来提升计算效率，并采用多线程技术来加速程序。但是由于多核处理器的计算能力有限和采取的计算策略简单，目前报道的最高计算速度仅为50000POI/s，远未达到实时处理的要求；而且该速度还是在仅使用比较简单的一阶形函数的前提下达到的，精度并不如使用二阶形函数的方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于GPU并行加速的实时三维变形测量方法。在所有匹配中，使用变形前的左相机图像L₀作为参考图像，让IC-GN算法的预计算数据可以被反复使用，节省了大量的计算。基于CUDA开发GPU程序来加速算法，充分发挥硬件的计算能力，从而实现了实时的三维变形测量，在兴趣点为10000个左右时计算速度可以超过40帧每秒，解决现有的三维变形测量方法计算速度慢，无法达到实时测量要求的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于GPU并行加速的实时三维变形测量方法，包括以下步骤：

1)使用张正友标定法对左右两个固定的相机进行立体标定，获得左、右相机的投影矩阵M_L、M_R；

2)使用上述两个相机同步拍摄目标物体表面在变形前的左、右图像L₀、 R₀和变形过程中第i个时刻的左、右图像L_i、R_i，其中i＝1,2,3,…,n；

3)在图像L₀上选择兴趣区域，在该区域中等间隔取一批兴趣点P_L0；

4)将相机的投影矩阵、所有拍摄的图像和兴趣点拷贝到GPU上；

5)在GPU上，对每个兴趣点P_L0，先使用IC-GN算法寻找其在图像R₀上的对应点P_R0，然后使用P_L0、P_R0这两个点的坐标，通过三角测量法计算得到兴趣点在变形前的三维坐标P_W0；