[发明专利]一种微光条件下偏振三维重建方法

说明书

本发明提出了一种微光条件下偏振三维重建方法。利用光子计数技术获取微光条件下目标表面的反射光偏振信息，给出初始偏振三维重建结果。接着考虑主动照明激光方向矢量提供的额外阴影约束，对初始重建结果中的法向量方位角误差进行校正，有效解决偏振重建的凹凸性模糊问题。由光子探测半经典理论可以推导出基于泊松分布的光子计数概率模型，因此在利用单光子探测器获取反射光子计数值后可利用该模型将接收光子计数值映射到实际反射光子数值，并用此结果来反映目标表面反射光偏振信息。在方位角的校正过程中则是利用目标反射光非偏振光强，激光方向矢量和目标表面法向量之前存在的联系，对不确定的方位角增加额外约束以达到校正效果。

技术领域

本发明属于物体表面三维重建领域，涉及一种微光条件下的偏振三维重建方法，适用于环境光受限的三维重建应用场景。

背景技术

三维重建是指根据单视角或者多视角二维图像重建物体三维信息的过程，该技术是计算机视觉、医学图像处理、科学计算等许多领域的共性科学问题和核心技术。

偏振三维重建方法是利用物体反射光的偏振信息对物体表面信息进行恢复。当非偏振光入射到物体表面经反射后，反射光的偏振态会按照一定规律发生改变，我们通过偏振器件和光探测器件获取这一变化，继而通过特定算法模型可以解析得到物体表面信息，可反映目标物体表面性状、分布等几何信息。但传统偏振三维重建技术仍存在一些局限，例如：(1)计算得到的表面法向量方位角存在不确定性，这使得重建结果产生凹凸性模糊；(2)在环境光强度降低到一定程度时，难以准确获取物体反射光偏振信息，从而导致重建结果误差较大；(3)计算表面法向量过程中需要的物体表面折射率数据经常是未知的。

为了解决以上局限，许多人尝试提出了有效的改进方法。Morel等人提出主动照明的方式消除方位角歧义值^[1]，但这种方法受环境以及应用场景限制较大，对于环境要求严苛，难以推广使用。Achuta Kadambi等人提出阴影恢复形状方法，光度立体法与深度图融合的方法，有效解决方位角的不确定性^[2]，但该方法中使用的Kinect相机有限的工作距离和应用环境使得这种ronghe方法的使用情景有很大的局限性。Huynh等也曾融合多光谱成像和偏振成像用于估计目标折射系数及三维信息^[3]。美国波音公司的光谱实验室研制了基于32×32像素GM-APD探测器阵列的三维成像系统^[4]。英国Heriot-Watt大学采用单光子雪崩光电二极管，利用扫描系统对目标实现三维成像^[5]。

上述文献中方法多为结合激光雷达系统进行三维成像，成本较高，而如何利用光子计数技术高灵敏度特点实现微光条件下的偏振三维重建，以及利用激光主动照明提供的光源约束有效校正表面法向量方位角的不确定性，从而解决重建结果中的凹凸性模糊问题将是本发明的关键问题。

参考文献

[1]Morel O,Meriaudeau F,Stolz C.Polarization imaging applied to 3Dreconstruction of specular metallic surfaces[J].proc spie,2005,5679:178-186.

[2]Kadambi A,Taamazyan V,Shi B,et al.Polarized 3D:High-Quality DepthSensing with Polarization Cues[C]//IEEE International Conference on ComputerVision.IEEE,2016.

[3]Robles-Kelly A,Huynh C P.Shape and Refractive Index fromPolarisation[J].Springer London,2013,10.1007/978-1-4471-4652-0(Chapter 11):241-263.