CN106840036A - 一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，包括如下步骤：相机、投影仪λ校正；相机标定，畸变校正；投影相移光栅条纹；投影二元结构光编码图；相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次；求出绝对相位，完成相位去包裹；相位映射为真实高度，重构出三维轮廓。本发明利用优化的二元结构光编码方法，能够实现物体三维轮廓重构，且本方法能够精确确定投影光栅条纹的周期级次，避免了多级灰度值的非线性投影问题和多通道投影的颜色混叠问题，测量速度快速，对不同测量物体均有良好的适应性，具有突出显著的技术效果。

Description

一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法

技术领域

本发明涉及一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，属于快速三维形貌测量技术领域。

背景技术

基于结构光投影的3D成像能提供物体的三维轮廓信息，通过对图像的解码和和相位展开，可以准确地重建物体表面的三维轮廓，结构光三维成像以其大视场、非接触、高精度、实时性等优点，在工业三维测量领域得到了广泛的应用。

包括三步、四步、N步相移法在内的各种相移法用于物体的三维重构，相移法投影的条纹数目越多，精确度越高，但采集速度受到了制约，且得到的相位为包裹在[-π,π]中的相对相位[1-3]，为得到相位与物体之间为一一对应关系的绝对相位，需要对相位进行解包裹，确定相位周期级次。Zheng D等人使用两套多级灰度值阶梯相位编码条纹，一套将全场均分为多个区域，另一套用于对每个区域进行再次均分，以此来共同生成阶梯相位，确定条纹级次。Fu Y等人基于多级灰度值编码的四步相移法，分别投影正弦条纹和阶梯编码条纹，采用一套多级灰度值编码，提高了解包裹的效率，通过增加灰度级别可以使编码条纹图数目进一步降低，并将其应用在叶片形貌测量中。Zhou C等人利用彩色条纹投影，将正弦条纹和阶梯编码条纹调制进彩色条纹的不同通道，减少了条纹投影的次数，进一步提高了测量速度。

虽然这些方法可以用于三维形貌测量，但是，还不能完全解决以下问题：1)多级灰度值引起的投影非线性问题；2)彩色投影的颜色混叠问题；3)编码方法的适应性问题；4)三维测量速度低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，包括如下步骤：相机、投影仪λ校正；相机标定，畸变校正；投影相移光栅条纹；投影二元结构光编码图；相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次；求出绝对相位，完成相位去包裹；相位映射为真实高度，重构出三维轮廓。

优选地，所述相机标定，畸变校正包括：使用张正友标定法对实验所用相机进行标定，求出相机的内外参数，并依据该参数对拍摄得到的图像进行畸变校正。

优选地，所述投影相移光栅条纹包括：投影多幅四步相移正弦光栅条纹到被测物体表面，使用相机采集投影到物体表面的图案。

优选地，投影的所述正弦光栅采用N步相移法，通过投影多幅具有相位差的结构光图案来获取相位信息，第k幅相移法投影图案的光强表达式为：

其中，I_k(x,y)为投影图像上某处的光强(k＝0,1,2,3)，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为调制光强，为待求相位，N代表投影图像数目。

优选地，所述投影二元结构光编码图包括：投影多幅三步相移对应的二元结构光编码图，使用相机采集投影到物体表面的图案。

优选地，所述投影二元结构光编码图还包括：将阶梯相位编码进二元黑白图案中，投影的第i幅二元编码条纹表达式为：

其中，L为编码条纹图x方向的总长度，δ为x方向预设位移值，l为单个条纹宽度，N为投影条纹的相移步数，k为阶梯相位子区域数目，k值由k＝log₂(L/l)确定；解调出二元编码条纹对应的三步相移的相对相位为阶梯相位，此阶梯相位与正弦包裹相位的2π跳变处应重合，需设置合理的δ值，预先对相位编码进行偏置校正。

优选地，所述相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次包括：通过四步相移法求得光栅条纹的包裹相位，利用二值编码条纹解调后得到的阶梯相位，确定光栅条纹的周期级次；所述求出绝对相位，完成相位去包裹包括：最终根据周期级次对包裹相位进行解包裹得到绝对相位，完成相位去包裹。

优选地，采用N步相移法投影多幅相移图案后，求得的正弦包裹相位表达式为：

此式得到的相位为包裹在[-π,π]内的周期为2π的相对相位，为提高测量精度，实际测量中整个测量范围内光栅条纹有多个周期，通过对进行解包裹，以获得连续的能完整反映物体对投影条纹光强的改变的绝对相位值。

优选地，所述光栅级次的计算步骤为：

步骤SS1：阶梯相位中子区域个数r为r＝2^k-1，总的阶梯台阶个数S为S＝6r，通过三步相移法，二元结构光编码得到的阶梯级数为6r；

步骤SS2：为使得正弦条纹每个周期均有对应的阶梯相位，可顺利进行相位展开，正弦光栅条纹的周期数T和二元编码条纹的子区域数k只需满足如下关系：

T＜6×2^k-1；

步骤SS3：由每个子区域内阶梯相位得到对应区域内的正弦条纹级次t：

其中，为经N步相移法求得的阶梯相位。

优选地，所述绝对相位的计算方法为：

由t值得到正弦条纹相位未完全展开的半展开相位

再利用传统邻域分析法进行再次展开，对于采用3步相移法的阶梯相位，在半展开相位图相位跳变处，对相邻相位差值超过6×2π的相位加上6×2π即可，完成相位的去包裹。

本发明所达到的有益效果：(1)本发明的编码阶梯条纹采用二值条纹，对条纹对比度不敏感，避免了相位误差的叠加和投影非线性的影响，可以有效地降低测量误差；(2)本发明采用采用单色投影，能够避免多通道彩色投影的颜色混叠问题；(3)本发明通过设置k值大小可针对不同正弦条纹周期作出针对性调整，且通过改变N值可自适应步数，提高了测量的灵活性；(4)本发明同等条件下减少了投影条纹数目，提高了测量速度。

附图说明

图1是本发明的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法的流程图。

图2是本发明的一个实施例的乌龟模型三维重构的步骤和效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1是本发明的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法的流程图。本发明提出一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，包括如下步骤：相机、投影仪λ校正；相机标定，畸变校正；投影相移光栅条纹；投影二元结构光编码图；相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次；求出绝对相位，完成相位去包裹；相位映射为真实高度，重构出三维轮廓，即将绝对相位映射为物体的真实高度，实现待测物体表面的三维形貌重构。

作为一种较佳的实施例，所述相机标定，畸变校正包括：使用张正友标定法对实验所用相机进行标定，求出相机的内外参数，并依据该参数对拍摄得到的图像进行畸变校正。

作为一种较佳的实施例，所述投影相移光栅条纹包括：投影多幅四步相移正弦光栅条纹到被测物体表面，使用相机采集投影到物体表面的图案。

作为一种较佳的实施例，投影的所述正弦光栅采用N步相移法，通过投影多幅具有相位差的结构光图案来获取相位信息，第k幅相移法投影图案的光强表达式为：

其中，I_k(x,y)为投影图像上某处的光强(k＝0,1,2,3)，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为调制光强，为待求相位，N代表投影图像数目。

作为一种较佳的实施例，所述投影二元结构光编码图包括：投影多幅三步相移对应的二元结构光编码图，使用相机采集投影到物体表面的图案。

作为一种较佳的实施例，所述投影二元结构光编码图还包括：将阶梯相位编码进二元黑白图案中，投影的第i幅二元编码条纹表达式为：

其中，L为编码条纹图x方向的总长度，δ为x方向预设位移值，l为单个条纹宽度，N为投影条纹的相移步数，k为阶梯相位子区域数目，k值由k＝log₂(L/l)确定；解调出二元编码条纹对应的三步相移的相对相位为阶梯相位，此阶梯相位与正弦包裹相位的2π跳变处应重合，需设置合理的δ值，预先对相位编码进行偏置校正。

作为一种较佳的实施例，所述相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次包括：通过四步相移法求得光栅条纹的包裹相位，利用二值编码条纹解调后得到的阶梯相位，确定光栅条纹的周期级次；所述求出绝对相位，完成相位去包裹包括：最终根据周期级次对包裹相位进行解包裹得到绝对相位，完成相位去包裹。

作为一种较佳的实施例，采用N步相移法投影多幅相移图案后，求得的正弦包裹相位表达式为：

此式得到的相位为包裹在[-π,π]内的周期为2π的相对相位，为提高测量精度，实际测量中整个测量范围内光栅条纹有多个周期，通过对进行解包裹，以获得连续的能完整反映物体对投影条纹光强的改变的绝对相位值。

作为一种较佳的实施例，所述光栅级次的计算步骤为：

步骤SS1：阶梯相位中子区域个数r为r＝2^k-1，总的阶梯台阶个数S为S＝6r，通过三步相移法，二元结构光编码得到的阶梯级数为6r；

步骤SS2：为使得正弦条纹每个周期均有对应的阶梯相位，可顺利进行相位展开，正弦光栅条纹的周期数T和二元编码条纹的子区域数k只需满足如下关系：

T＜6×2^k-1；

步骤SS3：由每个子区域内阶梯相位得到对应区域内的正弦条纹级次t：

其中，为经N步相移法求得的阶梯相位。

作为一种较佳的实施例，所述绝对相位的计算方法为：

由t值得到正弦条纹相位未完全展开的半展开相位

再利用传统邻域分析法进行再次展开，对于采用3步相移法的阶梯相位，在半展开相位图相位跳变处，对相邻相位差值超过6×2π的相位加上6×2π即可，完成相位的去包裹。

图2是本发明的一个实施例的乌龟模型三维重构的步骤和效果图。首先，投影四幅四步相移正弦条纹到物体表面，接着投影三幅三步相移对应的二元结构光编码图，取k＝2，如图2.1所示。为提高实验结果的准确性，投影得到的图案均经过畸变校正，如图2.2所示。确定好光栅条纹级次后，利用光栅级次求出物体表面的绝对相位，将此相位映射为真实高度，即可重构出物体表面的三维轮廓，如图2.3所示。

由此可见，本发明利用优化的二元结构光编码方法，能够实现物体三维轮廓重构，且本方法能够精确确定投影光栅条纹的周期级次，避免了多级灰度值的非线性投影问题和多通道投影的颜色混叠问题，测量速度快速，对对不同测量物体均有良好的适应性，具有突出显著的技术效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，包括如下步骤：相机、投影仪λ校正；相机标定，畸变校正；投影相移光栅条纹；投影二元结构光编码图；相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次；求出绝对相位，完成相位去包裹；相位映射为真实高度，重构出三维轮廓。

2.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述相机标定，畸变校正包括：使用张正友标定法对实验所用相机进行标定，求出相机的内外参数，并依据该参数对拍摄得到的图像进行畸变校正。

3.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述投影相移光栅条纹包括：投影多幅四步相移正弦光栅条纹到被测物体表面，使用相机采集投影到物体表面的图案。

4.根据权利要求3所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，投影的所述正弦光栅采用N步相移法，通过投影多幅具有相位差的结构光图案来获取相位信息，第k幅相移法投影图案的光强表达式为：

其中，I_k(x,y)为投影图像上某处的光强(k＝0,1,2,3)，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为调制光强，为待求相位，N代表投影图像数目。

5.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述投影二元结构光编码图包括：投影多幅三步相移对应的二元结构光编码图，使用相机采集投影到物体表面的图案。

6.根据权利要求5所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述投影二元结构光编码图还包括：将阶梯相位编码进二元黑白图案中，投影的第i幅二元编码条纹表达式为：

$I_i(x,y)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{mod}\[(x+{\left(-1\right)}^k\left(i-1\right)L/N+\mathrm{\δ})/l,2\]\≠0\\ 0,\mathrm{mod}\[(x+{\left(-1\right)}^k\left(i-1\right)L/N+\mathrm{\δ})/l,2\]=0\end{array}\right.$

其中，L为编码条纹图x方向的总长度，δ为x方向预设位移值，l为单个条纹宽度，N为投影条纹的相移步数，k为阶梯相位子区域数目，k值由k＝log₂(L/l)确定；解调出二元编码条纹对应的三步相移的相对相位为阶梯相位，此阶梯相位与正弦包裹相位的2π跳变处应重合，需设置合理的δ值，预先对相位编码进行偏置校正。

7.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述相移法求出光栅包裹相位，利用编码条纹求出光栅级次包括：通过四步相移法求得光栅条纹的包裹相位，利用二值编码条纹解调后得到的阶梯相位，确定光栅条纹的周期级次；所述求出绝对相位，完成相位去包裹包括：最终根据周期级次对包裹相位进行解包裹得到绝对相位，完成相位去包裹。

8.根据权利要求7所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，采用N步相移法投影多幅相移图案后，求得的正弦包裹相位表达式为：

此式得到的相位为包裹在[-π,π]内的周期为2π的相对相位，为提高测量精度，实际测量中整个测量范围内光栅条纹有多个周期，通过对进行解包裹，以获得连续的能完整反映物体对投影条纹光强的改变的绝对相位值。

9.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述光栅级次的计算步骤为：

步骤SS1：阶梯相位中子区域个数r为r＝2^k-1，总的阶梯台阶个数S为S＝6r，通过三步相移法，二元结构光编码得到的阶梯级数为6r；

步骤SS2：为使得正弦条纹每个周期均有对应的阶梯相位，可顺利进行相位展开，正弦光栅条纹的周期数T和二元编码条纹的子区域数k只需满足如下关系：

T＜6×2^k-1；

步骤SS3：由每个子区域内阶梯相位得到对应区域内的正弦条纹级次t：

其中，为经N步相移法求得的阶梯相位。

10.根据权利要求1所述的一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法，其特征在于，所述绝对相位的计算方法为：

由t值得到正弦条纹相位未完全展开的半展开相位

再利用传统邻域分析法进行再次展开，对于采用3步相移法的阶梯相位，在半展开相位图相位跳变处，对相邻相位差值超过6×2π的相位加上6×2π即可，完成相位的去包裹。