CN111998800B - 一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及*** - Google Patents

一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及***，包括：采集被测物体的复合相移条纹图；其中，所述复合相移条纹图为相位域中嵌入散斑的N步相移条纹图；计算被测物体的复合相移条纹图的截断相位；以及，对复合相移条纹图进行解调，得到对应的变形散斑图；根据求得的截断相位得到多个备选高度值；根据所述多个备选高度值找到对应的参考散斑图；将参考散斑图与变形散斑图进行相关运算，根据相关运算结果筛选得到实际高度值，并根据实际高度值重建得到被测物体的三维面形信息。本发明通过将散斑编码在条纹的相位域中，并设置相应的散斑解调方法对其进行解码，从而利用散斑信息解决截断相位直接映射到高度所存在的高度歧义问题。

Description

一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及***
技术领域
本发明涉及三维面形测量技术领域，特别涉及一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及***。
背景技术
光学三维面形测量以其非接触性、灵活、高速、高精度的内在优势，在各行各业发挥着越来越重要的角色，尤其是在工业自动控制与检测、生物医学、智能监控、航空航天等领域。其中傅里叶变换轮廓术和相移测量轮廓术是近年来人们常用的基于条纹投影的三维面形测量方法。傅里叶变换轮廓术仅用一帧条纹图就足以恢复相位，由于其效率高适合于动态三维测量，但用于复杂面形测量时会大大降低测量精度。相比之下，相移测量轮廓术通常更稳健，可以实现更高分辨率和精度的像素级相位测量。
目前，将三角波或散斑等编码信号嵌入到相移条纹图中来辅助相位展开的方法成为了研究热点。但通常的编码方式是将编码信号嵌入到相条纹的强度域中，将编码信号加入到相移条纹图中能提高图片利用率，实现高精度测量，但会牺牲条纹灰度分布的幅度，降低了***测量精度，且将散斑嵌入条纹的强度域中易受噪声影响，也会增加数据处理的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的将散斑编码在相移条纹的强度域中易受噪声影响降低***三维测量精度、增加数据处理复杂度的问题，提供一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法及***，通过将散斑编码在条纹的相位域中，并设置相应的散斑解调方法对其进行解码，从而利用散斑信息解决截断相位直接映射到高度所存在的高度歧义问题，由此实现了高精度的复杂三维面形快速测量。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法，包括：
A、将复合相移条纹图投影到被测物体表面上，以采集所述被测物体的复合相移条纹图；
其中，所述复合相移条纹图为相位域中嵌入散斑的N步相移条纹图，N为整数，且N≥3；
B、利用相移算法计算所述被测物体的复合相移条纹图的截断相位；以及，利用散斑解调算法对所述被测物体的复合相移条纹图进行解调，得到对应的变形散斑图；
C、根据求得的截断相位在预先存储的相位-高度映射表中进行查找，得到多个备选高度值；
D、根据所述多个备选高度值在预先存储的参考散斑图集中找到与所述多个备选高度值相对应的参考散斑图；利用所找到的参考散斑图与所述变形散斑图进行相关运算，根据相关运算结果从所述备选高度值中筛选得到实际高度值，并根据所述实际高度值重建得到所述被测物体的三维面形信息。
优选的，所述预先存储的相位-高度映射表的求解过程，包括：
在空间中标定多个高度值，将参考平面依次移动至所述多个高度值处，当所述参考平面位于某一高度值处时，投影所述复合相移条纹图到所述参考平面上，并采集所述参考平面在当前高度值处的复合相移条纹图；以此得到所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图；其中，所述多个高度值之间高度间隔相同；
利用相移算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的截断相位，根据所述多个高度值处的截断相位以及所述多个高度值标定所述相位-高度映射表，并存储所述相位-高度映射表。
优选的，采用散斑解调算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的参考散斑图；
根据所述多个高度值处的参考散斑图以及所述多个高度值标定所述参考散斑图集，并存储所述参考散斑图集。
优选的，选择相关函数NCC作为所述相关运算的函数，根据所述相关运算结果的最大值从所述备选高度值中筛选得到所述实际高度值。
优选的，在求解所述多个高度值处的参考散斑图的同时，存储所述参考散斑图的强度值。
优选的，还包括：采用基于中值滤波的方法对所述被测物体的三维面形信息的部分区域进行高度补偿。
优选的，所述被测物体的复合相移条纹图为：
I1(x，y)＝A+Bsin[φ(x，y)+S(x，y)]
I2(x，y)＝A-Bsin[φ(x，y)-S(x，y)]
I3(x，y)＝A-Bcos[φ(x，y)+S(x，y)]
I4(x，y)＝A+Bcos[φ(x，y)-S(x，y)]
其中，A表示背景强度，B表示调制强度，φ(x，y)为测量相位，S(x，y)为嵌入的散斑图，x，y为像素坐标。
优选的，所述散斑解调算法为：
Figure GDA0003002444510000041
其中，ε表示无穷小量。
在本发明进一步的实施例中，还提供一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量***，包括：
投影仪，用于将复合相移条纹图投影到被测物体表面上；
相机，用于采集所述被测物体的复合相移条纹图并传输至数据处理模块；其中，所述复合相移条纹图为相位域中嵌入散斑的N步相移条纹图，N为整数，且N≥3；
数据处理模块，用于利用相移算法计算所述被测物体的复合相移条纹图的截断相位；以及，利用散斑解调算法对所述被测物体的复合相移条纹图进行解调，得到对应的变形散斑图；并根据求得的截断相位在预先存储的相位-高度映射表中进行查找，得到多个备选高度值；并根据所述多个备选高度值在预先标定的参考散斑图集中找到所述多个备选高度值对应的参考散斑图；利用所找到的参考散斑图与所述变形散斑图进行相关运算，根据相关运算结果从所述备选高度值中筛选得到实际高度值，并根据所述实际高度值重建得到所述被测物体的三维面形信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过将散斑编码在条纹的相位域中，并设置相应的散斑解调方法对其进行解码，从而利用散斑信息解决截断相位直接映射到高度所存在的高度歧义问题，在散斑信息的辅助下，可以从截断相位信息中直接确定对应点的真实高度分布，无需进行耗时并容易出错的相位展开过程，从而加速整个三维重建过程，由此实现了高精度的复杂三维面形快速测量。本方法不易受到环境光和噪声的影响，相较于将散斑编码在相移条纹的强度域的方法具有更强的鲁棒性，能够实现高精度的复杂三维面形快速测量。
2、选用NCC作为相关函数进行相关运算，有效提高相关运算的速度，进一步提高三维面形测量的效率。
附图说明：
图1为本发明示例性实施例的一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法的流程图；
图2为本发明示例性实施例的一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法的***装置图；
图3为本发明示例性实施例的被测物体图；
图4(a)为本发明示例性实施例的计算机生成的嵌入散斑图；
图4(b)为本发明示例性实施例的散斑嵌入条纹复合图；
图5(a)为本发明示例性实施例的被测物体截断相位图；
图5(b)为本发明示例性实施例的被测物体解调得到的变形散斑图；
图6为本发明示例性实施例的三维重建过程示意图；
图7为本发明示例性实施例的具有多相关峰的相关函数曲线；
图8为本发明示例性实施例的高度重建结果图；
图9(a)为本发明示例性实施例的图8中部分细节放大示意图1。
图9(b)为本发明示例性实施例的图8中部分细节放大示意图2。
图10为本发明示例性实施例的阶梯状标准件结构示意图。
图11(a)为本发明示例性实施例的重建结果的实际测量高度差，
图11(b)为为本发明示例性实施例的所测每个平面的均方根误差。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
图1示出了本发明示例性实施例的一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法的流程图，包括：先对投影图案进行编码，即将设计好的局域位置随机散斑嵌入到四步相移条纹的相位分布中，生成一组散斑嵌入相移条纹的复合图案；将这组复合图案分别投影到等间隔高度的参考平面上并用相机进行拍摄记录，从记录图像中用相移算法提取出每个参考平面的对应截断相位，以此来建立逐像素的相位-高度映射表；用专门设计的解码步骤提取获得对应的平面位置散斑图作为参考备用。实际测量时，测量对象表面的变形复合图案经相移算法得到的截断相位通过查表将获得多个候选高度，同时通过相同的散斑解码步骤得到的变形散斑图可以用来与平面参考散斑图集做相关运算，依据相关值运算结果的大小在多个候选高度中唯一确定准确的重建高度，最终消除高度歧义，进而得到被测物体的三维信息。
本发明的测试装置主要有参考平面、步进电机、投影仪、相机和电脑，其中参考平面和步进电机主要是三维测量前建立截断相位-高度逐像素映射表(即相位-高度映射表)，以及准备散斑参考图集所用，而电脑主要功能是图像数据处理，***测量环境如图2所示。本实验例中被选定的物体为一对孤立的复杂物体，分别为闹钟和花瓣模型，实物图如图3所示。其中，预先存储的相位-高度映射表的求解过程，包括：
在空间中标定多个高度值，利用步进电机将参考平面依次移动至所述多个高度值处，当所述参考平面位于某一高度值处时，投影所述复合相移条纹图到所述参考平面上，并采集所述参考平面在当前高度值处的复合相移条纹图；以此得到所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图；其中，所述多个高度值之间高度间隔相同；并利用相移算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的截断相位，根据所述多个高度值处的截断相位以及所述多个高度值标定所述相位-高度映射表。同时，采用散斑解调算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的参考散斑图；根据所述多个高度值处的参考散斑图以及所述多个高度值标定所述参考散斑图集，并将所得相位-高度映射表以及参考散斑图集发送至电脑进行存储。
具体的，本发明示例性实施例的一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法的，包括：
第一步：生成的局域位置随机散斑嵌入到四步相移条纹图。传统的四步相移条纹经整理得：
I1(x,y)＝A+Bcos[φ(x,y)-π/2]
I2(x,y)＝A+Bcos[φ(x,y)-3π/2]
I3(x,y)＝A+Bcos[φ(x,y)-π]
I4(x,y)＝A+Bcos[φ(x,y)-2π]
嵌入散斑后的复合条纹相移图则变为：
I1(x，y)＝A+Bsin[φ(x，y)+S(x，y)] (1)
I2(x，y)＝A-Bsin[φ(x，y)-S(x，y)] (2)
I3(x，y)＝A-Bcos[φ(x，y)+S(x，y)] (3)
I4(x，y)＝A+Bcos[φ(x，y)-S(x，y)] (4)
其中，A表示背景强度，B表示调制强度，φ(x，y)为测量相位，S(x，y)为嵌入的散斑图，x，y为像素坐标。
对于本发明，嵌入散斑的主要目的是在由截断相位直接查表进行高度重建时消除高度歧义，找到正确的空间高度值，故只要求散斑图具有周期唯一性，而不是传统的全局唯一性。为此，本发明按以下原则进行设计：(1)散斑图由大量m×r大小的连续子窗口组成，以r为垂直条纹的条纹宽度。(2)每个子窗口中填充大小为s×s的位置随机分布散斑。为了保证散斑的周期唯一性，确定0.35M～0.45M(M＝(m×r)/s2)范围内的散斑数目是非常合适的。(3)散斑大小通常设置为1-3个像素。在上述约束下，嵌入的散斑图S(x，y)和散斑嵌入相移条纹的复合图案的I1分别如图4(a)和(b)所示。其中的散斑参数包括m＝30个像素，r＝15个像素，s＝3个像素，每个子窗口的散斑点数量约为0.4M。
第二步：实际测量前准备。
将生成的复合图案分别投影到等间隔高度的参考平面上并用相机进行拍摄记录，从记录图像中用相移算法提取出每个参考平面的对应截断相位，以此来建立逐像素的相位-高度映射表，以备实际测量时截断相位查表所需；用专门设计的解码步骤提取获得对应的高度位置的参考散斑图作为相关运算时备用。
其中，针对所述复合相移条纹图中散斑的专门设计的散斑解调方法可用公式表示为：
Figure GDA0003002444510000091
式中ε表示无穷小量。用以避免当I1(x，y)＝I4(x，y)及I2(x，y)＝I3(x，y)时，分子分母同时为零的情况。
特别地，尽管相关函数ZNCC由于其较强的抗噪性能在数字散斑相关中广受青睐，但对于本发明而言散斑是作为编码信号嵌入到条纹的相位中，不易受环境光影响，故选择不需要进行零均值计算的相关函数NCC是合适的，由此能提高相关运算的速度，相关公式如下式(6)所示：
Figure GDA0003002444510000092
其中f，g分别为变形散斑子区和参考散斑子区强度值。
考虑到上述式(6)中分母的参考散斑项会在相关运算时重复进行求和、平方运算，相关运算仍然是一个十分耗时的过程，所以在求解参考散斑图集时提前存储逐像素参考散斑子区的强度值，由此进一步减少运算时间，提高计算效率。
第三步：投影散斑嵌入相移条纹复合图。
将四幅散斑嵌入相移条纹的复合图案依次投影到被测物体表面上，由相机同步采集经被测物体表面调制后的变形散斑图。
第四步：对采集到的物体变形复合图进行解调。
利用式(7)和上述式(5)分别求取物体的截断相位和变形散斑图，分别如图5(a)和(b)所示。
Figure GDA0003002444510000101
第五步：物体的截断相位进行查表。
由式(7)得到的截断相位逐像素进行在相位-高度映射表中进行查表操作，每个像素点都能得到对应的多个候选高度值(备选高度值)，且该像素点的真实高度值即为其中之一。
第六步：物体表面变形散斑进行相关运算消除高度歧义。
由式(5)得到的变形散斑图逐像素与候选高度对应的参考散斑图而不是所有参考散斑图进行相关运算操作，即以每个像素点为中心的子区域和候选高度对应的散斑子区域进行相关运算，得到最大相关值所对应的高度即为该点的真实空间高度，重建过程如图6所示
第七步：高度重建算法。
在高度重建之后，物体表面可能仍然存在一些重建错误点，尤其是在物体边缘和高度陡变的区域，在这种情况下，散斑相关曲线就会出现多相关峰的情况，如图7所示，此时的重建高度变得不再可靠，因此本发明采用了一种基于中值滤波的方法来进行高度补偿。最后，通过本方法重建的物体三维面形如图8所示。
为了清楚地展示本发明方法对测量复杂物体三维面形具有较高的质量和精度，本实例将图8的物体高度恢复图进行了部分细节放大，如图9(a)和(b)所示。
在本发明进一步的实施例中，我们对如图10所示的一个阶梯状标准件采用本发明的基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法进行面形测量，其每阶的高度差为30mm，对其进行精度评价。如图11(a)为重建结果以及实际测量高度差，图11(b)为所测每个平面的均方根误差，由图11(a)以及图11(b)可知，本发明的基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法具有较高的精度。
本领域的技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者更好地理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量方法，其特征在于，包括：
A、将复合相移条纹图投影到被测物体表面上，以采集所述被测物体的复合相移条纹图；
其中，所述复合相移条纹图为相位域中嵌入散斑的N步相移条纹图，N为整数，且N≥3；
B、利用相移算法计算所述被测物体的复合相移条纹图的截断相位；以及，利用散斑解调算法对所述被测物体的复合相移条纹图进行解调，得到对应的变形散斑图；
C、根据求得的截断相位在预先存储的相位-高度映射表中进行查找，得到多个备选高度值；
D、根据所述多个备选高度值在预先存储的参考散斑图集中找到与所述多个备选高度值相对应的参考散斑图；利用所找到的参考散斑图与所述变形散斑图进行相关运算，根据相关运算结果从所述备选高度值中筛选得到实际高度值，并根据所述实际高度值重建得到所述被测物体的三维面形信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先存储的相位-高度映射表的求解过程，包括：
在空间中标定多个高度值，将参考平面依次移动至所述多个高度值处，当所述参考平面位于某一高度值处时，投影所述复合相移条纹图到所述参考平面上，并采集所述参考平面在当前高度值处的复合相移条纹图；以此得到所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图；其中，所述多个高度值之间高度间隔相同；
利用相移算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的截断相位，根据所述多个高度值处的截断相位以及所述多个高度值标定所述相位-高度映射表，并存储所述相位-高度映射表。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用散斑解调算法对所述参考平面在所述多个高度值处的复合相移条纹图进行计算，得到所述多个高度值处的参考散斑图；
根据所述多个高度值处的参考散斑图以及所述多个高度值标定所述参考散斑图集，并存储所述参考散斑图集。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，选择相关函数NCC作为所述相关运算的函数，根据所述相关运算结果的最大值从所述备选高度值中筛选得到所述实际高度值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在求解所述多个高度值处的参考散斑图的同时，存储所述参考散斑图的强度值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：采用基于中值滤波的方法对所述被测物体的三维面形信息的部分区域进行高度补偿。
7.根据权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述被测物体的复合相移条纹图为：
I1(x，y)＝A+Bsin[φ(x，y)+S(x，y)]
I2(x，y)＝A-Bsin[φ(x，y)-S(x，y)]
I3(x，y)＝A-Bcos[φ(x，y)+S(x，y)]
I4(x，y)＝A+Bcos[φ(x，y)-S(x，y)]
其中，A表示背景强度，B表示调制强度，φ(x，y)为测量相位，S(x，y)为嵌入的散斑图，x，y为像素坐标。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述散斑解调算法为：
Figure FDA0002651802390000031
其中，ε表示无穷小量。
9.一种基于散斑嵌入条纹的三维面形测量***，其特征在于，包括：
投影仪，用于将复合相移条纹图投影到被测物体表面上；
相机，用于采集所述被测物体的复合相移条纹图并传输至数据处理模块；其中，所述复合相移条纹图为相位域中嵌入散斑的N步相移条纹图，N为整数，且N≥3；
数据处理模块，用于利用相移算法计算所述被测物体的复合相移条纹图的截断相位；以及，利用散斑解调算法对所述被测物体的复合相移条纹图进行解调，得到对应的变形散斑图；并根据求得的截断相位在预先存储的相位-高度映射表中进行查找，得到多个备选高度值；并根据所述多个备选高度值在预先标定的参考散斑图集中找到所述多个备选高度值对应的参考散斑图；利用所找到的参考散斑图与所述变形散斑图进行相关运算，根据相关运算结果从所述备选高度值中筛选得到实际高度值，并根据所述实际高度值重建得到所述被测物体的三维面形信息。
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