CN112712585B - 基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及本发明涉及光学三维测量领域，特别是涉及基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***及方法。***包括：照明单元、光学掩模、光学投影透镜、成像单元、控制单元和三维重建算法模块，光学掩模上有弧形相移条纹图案并且匀速旋转，照明单元发出的出射光通过光学掩模的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，相移条纹结构光图案通过光学投影透镜投影到待测目标上。三维重建算法模块根据包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现待测目标的三维重建。与传统的数字投影相比，本发明的***可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，并且本发明的***复杂性低和安装空间需求小，从而可以实现结构紧凑、成本低廉的***设计。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及光学三维测量领域，特别是涉及基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***及方法。
背景技术
三维人脸识别技术由于结合了人脸面部纹理特征和三维立体结构信息，可以极大的降低环境、姿态、表情等因素对人脸识别率的限制。三维人脸识别技术快速发展应用的前提是三维人脸数据的采集，目前最为广泛采用的是基于三角测量原理的光学三维测量技术来获取三维人脸数据。通过投影结构光光场至待测目标表面来获取三维面形数据，并采用单目或双目相机来采集受到待测人脸目标表面调制的变形图像，并从中分析灰度、相位等信息来恢复三维信息。光学掩模编码可以用于丰富或增加被测人脸对象的表面纹理，从而提高三维重建结果的准确性和可靠性。此外，可以增加投射至待测目标表面的结构光图案数量，来提高三维测量精度。
目前，市场上的三维建模产品大多采用正弦条纹或者散斑投影技术，基于正弦条纹相移投影的三维测量***相比基于散斑图案的三维测量***可以获得更为优异的三维重建效果。但是正弦条纹投影的三维重建***要求精确相移，通常采用DLP(Digital LightProcessing)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)等商业数字投影设备，存在体积大、成本高等缺点，在需要平衡成本、精度和集成度的三维人脸识别中等应用中受到限制。基于结构光光学掩模的投影装置与商业数字投射器相比，具有结构紧凑、功耗小、集成度高的优点，目前已经出现了众多采用成本低廉散斑模板投影的商用产品，包括Orbbec，RealSense和Kinect V1.0，但是还未见报道通过成本低廉的结构光光学掩模实现新型、结构紧凑的相移条纹图案投影的三维数据成像。
发明内容
本发明构造一个新型、结构紧凑的相移条纹光场图案投射装置，将制作有弧形相移条纹图案的光学掩模固定在垂直于电机中心轴上，通过电机驱动光学掩模板旋转运动，并同时采用光源照亮光学掩模，生成时空调制的相移条纹光场。进一步，将该装置引入到基于相移条纹结构光的三维人脸成像***中，能够采集静态或动态人脸目标的三维数据，提出了一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***及方法，可实现静态或动态对象人脸目标的三维数据获取。本发明的相移条纹光场图案投射装置可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，并且电子控制单元安装空间需求小、复杂性低，可以实现成本低、结构紧凑的***设计。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，包括：照明单元(102)、光学掩模(103)、光学投影透镜(104)、成像单元(105)、控制单元(106)和三维重建算法模块，
光学掩模(103)匀速旋转，并且光学掩模(103)上有弧形相移条纹图案；
照明单元(102)发出的出射光通过光学掩模(103)的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，相移条纹结构光图案通过光学投影透镜(104)投影到待测目标上；
控制单元(106)分别与光学掩模(103)和成像单元(105)连接，用于控制光学掩模(103)的旋转速度与成像单元(105)的采集速度同步；控制单元(106)还用于将成像单元(105)采集到的包含被测目标几何信息的投影图像序列传送至三维重建算法模块；
三维重建算法模块接收控制单元(106)传送的包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现待测目标的三维重建。
作为本发明的优选方案，照明单元(102)的光源包括以下光源中的一种或几种：LED、弧光灯或白炽灯。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)是结构光掩模盘，并且光学掩模(103)上相邻的弧形相移条纹图案之间存在恒定的相移间隔。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案采用涂布、印刷、蚀刻或粘贴的方式制作于光学掩模(103)上。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案的尺寸根据结构光掩模盘r和弧形相移条纹图案数量N决定，并且弧形相移条纹图案的弧向长度小于或等于2πr/N。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)的旋转速度fm取决于成像单元(105)的图像采集帧率fi和光学掩模(103)的弧形相移条纹图案数量N，并且fm≤fi/N。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)的旋转速度fm的取值范围是7.5Hz≤fm≤50Hz。
作为本发明的优选方案，光学掩模(103)在旋转运动过程中对照明单元(102)发出的出射光进行时间调制积分，调制生成不同的光强度。
基于相同的构思，还提出了一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采用上述任一的成像***获取包含被测目标几何信息的投影图像序列；
S2，对包含被测目标几何信息的投影图像序列进行极线校正，得到校正条纹图像；
S3，从校正条纹图像中解析出纹理图像信息和截断相位信息；
S4，对截断相位信息进行展开，计算出连续相位信息；
S5，利用光学掩模调制生成的条纹结构光圆形排列特性，建立绝对相位值与三维空间圆锥体的对应关系，并结合三角测量原理反向投影迭代求解相机光线与相应的圆锥体的交点坐标，并计算出被测目标三维几何数据。
作为本发明的优选方案，半径rc与连续相位信息满足如下关系：
rc＝rmin+φ(rmax-rmin)
其中，光学掩模(103)是圆形，rmin和rmax是圆形光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案的内半径和外半径，rc是圆形光学掩模(103)的圆半径，φ是归一化的连续相位信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明使用了旋转的光学掩模产生时空调制的弧形相移条纹光场，并投射到待测目标表面进行编码。与散斑结构光投影技术相比，基于条纹投影的光学三维测量技术可以获得性能表现更为优异的三维重建效果。与传统的数字投影相比，本发明的方法可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，由于电子控制单元的复杂性低和安装空间需求小，从而可以实现结构紧凑、成本低廉的***设计。此外，光学掩模上的测量图案段可以根据实际测量需要进行个性化设计，***具有很强的灵活性；同时具有广泛的应用范围，可满足动态或静态人脸目标的高速高精度三维测量。
附图说明：
图1为根据本发明设计的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***的实施例框图；
图2为根据本发明实施例框图设计的三维人脸数据采集***结构示意图，其中使用了旋转的结构光掩模盘；
图3为本发明用于光学掩模的误差扩散二值测量图案序列示意图；
图4为本发明用于光学掩模的二值测量图案序列示意图；
图5为本发明用于光学掩模的渐进二值测量图案序列示意图；
图6为本发明使用误差扩散二值测量图案设计的光学掩模示意图；
图7是本发明实施例的基于弧形相移条纹序列图案的三维数据采集方法的流程图；
图8是本发明实施例采用单目***配置情况下三维坐标点成像示意图。
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示出了根据本发明设计的一种一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***实施例框图，其以人脸对象100作为测量目标，示例性地说明三维数据采集***101的结构和工作原理。
如图1所示，三维人脸数据采集***101主要包括：照明单元102、光学掩模103、光学投影透镜104、单目或双目相机的成像单元105以及控制单元106。照明单元102用于照亮光学掩模103，生成时空调制的N幅弧形相移条纹图案，并通过光学投影透镜104投射至被测人脸目标100表面，光学投影透镜104将相位条纹结构光图案放大投影至人脸表面，使得人脸占整个投影视场大约1/3的区域；成像单元105采集受到投影后包含被测目标100几何信息的图像序列；控制单元106与光学掩模103、成像单元105连接，用于控制光学掩模103的旋转运动和成像单元105之间的同步采集控制，并将相机采集图像数据传送至三维重建算法模块(图中未标识)。
作为优选方案，成像单元105由单目或双目相机构成，记录投影至测量人脸目标(100)上的测量图案序列。其中，成像单元的相机与弧形相移条纹投影单元(102、103)空间布局满足三角测量原理约束。
在示例性的结构框图中，照明单元102可以是面光源(例如LED、弧光灯、白炽灯)。光学掩模103放置在照明单元102和光学投影透镜104之间，通过电机驱动并可调节旋转速度围绕着中心转轴连续地进行旋转运动，且电机由控制单元106控制转速。作为优选方案，旋转的光学掩模(103)是匀速旋转的结构光掩模盘，例如转速为5000rpm，且光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案相邻之间存在恒定的相移间隔，即2π/N，并且固定在垂直于光轴的齿轮上，通过齿轮机构驱动实现旋转运动，能够以恒定的可调节旋转速度围绕着中心转轴连续地进行匀速旋转运动，且该齿轮机构由控制单元控制转速。
旋转光学掩模(103)由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，制作过程包括涂布，印刷，蚀刻和粘贴等。旋转光学掩模(103)上的测量图案段与投影的测量图像序列的数量一致。旋转光学掩模(103)的测量图案通过二值图案进行光场调制，包括但不限于误差扩散二值图案。旋转光学掩模(103)的测量图案段具有用于调制光的不同光学特征表面，所述光学特性可以是透射率、反射率、吸收率或者面积。
光学掩模103的旋转频率fm取决于成像单元105的图像采集帧率fi和光学掩模103的弧形相移条纹图案数量N，即根据fm≤fi/N进行调节。以本实施例为基础用于三维人脸动态成像，光学掩模103的旋转频率fm优选采用30Hz(fi/N＝120Hz/4)。常用的成像单元图像采集帧率fi取值范围为[30Hz,200Hz]，则光学掩模103的旋转频率fm取值范围为[7.5Hz,50Hz]。亦可以选择更高帧率的成像单元，匹配驱动光学掩模的高转速的电机，从而实现高速三维成像。当电机设置为较高转速，整个三维成像***为动态人脸目标的三维测量高速高精度三维成像***。
本发明的另一种可能实施方式中，三维成像***101可以相对于待测人脸目标100移动，从而在不同视图获取待测目标的三维数据(例如手持式三维扫描设备)。此外，以本实施例为基础扩展多视三维成像***都应属于本发明的保护范围。
图2示出了根据本发明实施例框图(如图1所示)设计的三维成像***结构示意图，其中使用了旋转的光掩模盘203(图案刻蚀在镀铬玻璃上)来调制照明单元202的入射光，以这种方式产生时空调制的相移条纹结构光图案，并经光学投影透镜204投影到待测人脸目标200上，单目相机成像单元205采集受到人脸面形调制的变形图像序列，控制单元206控制着光掩模盘203在照明单元202和光学投影透镜204之间的旋转运动以及单目相机成像单元205的同步采集。
在图2所示的实施例中，使用了旋转的光掩模盘在径向上的投影，光学掩模上刻蚀的测量图案与用于三维成像图案数量相等。光学掩模旋转运动的结果是，投影的测量图案在旋转方向上具有时间积分效应，可以在相机的曝光时间内调制生成不同的强度。旋转光学掩模(103)的弧形相移条纹图案位于掩模盘上的径向位置，最大调制光强度与测量弧形相移条纹图案的圆弧路径成正比，等于透光圆弧路径和总圆弧路径的比值。
另外，光学掩模上刻蚀的测量图案(例如一维正弦图案)尺寸大小可以根据掩模盘半径r和弧形相移条纹图案数量N进行调节，测量图案的弧向长度≤2πr/N，测量图案的径向长度一般建议在[r/3,2r/3]取值范围之内。测量图案的单点分辨率比现有数字投影更精细，例如2um。此外，二值编码的测量图案，如正弦条纹结构光的一个周期可选用250个点(像素)表征，且投影至目标(人脸)的条纹数量可以高于120个周期，远大于现有通用数字投影的64个周期，从而实现高分辨的三维测量。
图3、图4和图5分别示出了由四个测量图案P1,P2,P3,P4组成的误差扩散图案序列、二值图案序列和渐进二值图案序列。每个测量图案在径向和轴向方向上的尺寸相同，如9.6mm，并且测量图案由完全不透光的过渡区域进行分隔，从而确保两个测量图案之间的平滑过渡。
在图3、图4和图5所示的实施例中，光学掩模具有四个测量图案Pi，在替代实施例中，可以具有更多数量的测量图案，例如6、8或12个。
图6示出了使用误差扩散二值测量1图案(如图3所示)设计的光学掩模，其它二值图案的光学掩模盘设计类似。虽然二值图案本身不具有灰度级，但是在光学掩模的旋转运动过程中，对光线(入射光强Io)进行时间积分即可调制生成不同的光强度I(r)。如图6所示，沿着圆盘周围的各个径向位置上光强度为测量图案对应的透光弧长度Lt与曝光时间内圆弧总长(透光弧长Lt和不透光弧长Lo)之比，即
在笛卡尔坐标系中测量图案的调制方向称为主方向H，另一个方向称为辅助方向N(具有恒定光强度)。图3示出了不同测量图案Pi的主方向H和副方向N。图6针对旋转光学掩模盘上的误差扩散二值测量图案段Pi给出了主方向H和副方向N，该实施例中，主方向H沿着径向方向延伸，副方向N沿着圆周方向延伸。
图7示出了基于弧形相移条纹序列图案投影的三维重建方法流程图，具体实现步骤包括：
步骤700:获取三维人脸建模数据。投影装置投射一系列条纹结构光到待测目标人脸，单目或双目相机实时获取受人脸三维几何形貌调制的条纹序列图像(以N＝4为例)：在双目相机配置下得到8张条纹图，左右相机各4张；在单目配置下得到4张条纹图。
步骤701：结合***标定参数，利用极线几何技术对相机拍摄的条纹图进行极线校正。
步骤702：从校正后的条纹图像中解析出相应的纹理图像信息和截断相位信息。
进一步的，拍摄到的变形条纹用公式表示为：
其中，(x,y)为像素坐标；R(x,y)是人脸表面反射率的分布；A(x,y)为背景光强，B(x,y)/A(x,y)表示了条纹的对比度；φ(x,y)是表示条纹结构光场所蕴含的相位信息；N为编码φ(x,y)所选用的条纹图数目，表相移次数；M(x,y)为嵌入调制信息，相邻图像之间进行反号；n为条纹图序号，表第n次相移，其取值范围为1到N。
对于N步相移算法，人脸表面纹理图像可由对应的N幅条纹生成。以N＝4帧条纹结构光场投影时为例，通过条纹图计算纹理图像的公式为：
截断相位的计算公式如下：
其中In代表第n帧条纹图，n的取值范围为1至4。从公式(3)和(4)可以看出，嵌入调制信息不影响纹理图像和截断相位的计算。
可以通过下式获得归一化的嵌入调制图像：
步骤703：使用嵌入调制图像辅助截断相位进行展开，获取每个截断相位的级次k，然后根据公式(6)计算连续相位信息。
接下来，在单目或者双目相机结构配置下分别采用下述步骤获取三维信息：
1、在单目相机的***配置中，通过步骤700-703可以获得连续相位信息，采用下列步骤计算脸部三维几何数据。包括：
步骤704：建立绝对相位值与3D空间圆锥体的对应关系。
本发明实施例使用了圆形的光学掩模盘，调制生成的条纹结构光以圆形形式排列，即在连续相位图中相同相位对应着光学掩模盘坐标系内的一组同心圆。如果忽略投影镜头的畸变，则这些同心圆与三维空间圆锥体存在一一对应的关系。圆锥体顶点位于投影镜头的光心位置Op，并且圆锥体的中心轴与投影镜头光轴重合(如图8所示)。给定相位值，结合投影镜头光心Op、光轴以及圆锥体在投影图像平面的半径rc，就可以确定该相位对应的圆锥体。光心Op、光轴位置通过***标定参数可以获得。半径rc与归一化的连续相位φ满足如下关系：
rc＝rmin+φ(rmax-rmin) (7)
其中，rmin和rmax是圆形光学掩模盘上的测量图案的内半径和外半径。
步骤705：通过反向投影迭代求解三维坐标。
对于相机拍摄图像中的观察点(xc,yc)，其连续相位为φ(xc,yc)，求取相机光线与相应的圆锥体的交点坐标P(Xw,Yw,Zw)(见图8)。将点P反向投影至投影装置坐标系中，并获得极坐标系中的坐标(φp,rp)或笛卡尔坐标系中的坐标(xp,yp)。将反向投影计算得到的坐标，结合投影镜头光心Op、光轴以及圆锥体在投影图像平面的半径rp，确定新的圆锥体，重复上述过程求取相机光线与新圆锥体的交点坐标P'(Xw',Yw',Zw')，直至两次迭代之间三维点P的坐标变化(一般采用欧式距离进行度量)小于给定阈值。至此可以完成连续相位到空间三维点坐标的计算。
2、在双目相机的***配置中，通过步骤700-703可以获得左右相机两个视图下的连续相位。
步骤706，根据纹理图像，通过人脸特征检测获得的特征点坐标为锚点，以左相机空间相位展开结果为参考，将双目相机获取的相互独立的相对相位信息进行统一，使得右相机所得相对相位信息与左相机所得的相对相位信息具有相同的基准。
进一步的，将人脸特征点的相对相位值与以右相机空间相位展开结果中人脸特征点处的相对相位值进行对比，求取左右相机人脸特征点的相对相位值的差值，并除以2π并取整得整数k，求得k后将右相机相位图加上2kπ即实现了使用人脸特征点为锚点，将双目相机获取的相互独立的相对相位信息进行统一。
步骤707，将基准统一后的左右相机相对相位信息进行相位匹配得到视差图，依据视差图和***标定信息计算待测人脸的三维模型。
Claims (8)
1.一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，包括：照明单元（102）、光学掩模（103）、光学投影透镜（104）、成像单元（105）、控制单元（106）和三维重建算法模块，
所述光学掩模（103）匀速旋转，并且所述光学掩模（103）上有弧形相移条纹图案；
所述照明单元（102）发出的出射光通过所述光学掩模（103）的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，所述相移条纹结构光图案通过光学投影透镜（104）投影到待测目标上；
所述控制单元（106）分别与光学掩模（103）和成像单元（105）连接，用于控制所述光学掩模（103）的旋转速度与所述成像单元（105）的采集速度同步；所述控制单元（106）还用于将所述成像单元（105）采集到的包含被测目标几何信息的投影图像序列传送至所述三维重建算法模块；
所述三维重建算法模块接收所述控制单元（106）传送的所述包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现所述待测目标的三维重建；
所述光学掩模（103）的旋转速度fm取决于成像单元（105）的图像采集帧率fi和所述光学掩模（103）的弧形相移条纹图案数量N，并且fm≤fi/N。
2.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述照明单元（102）的光源包括以下光源中的一种或几种：LED、弧光灯或白炽灯。
3.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述光学掩模（103）是结构光掩模盘，并且光学掩模（103）上相邻的弧形相移条纹图案之间存在恒定的相移间隔。
4.如权利要求3所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述光学掩模（103）由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，所述光学掩模（103）上的弧形相移条纹图案采用涂布、印刷、蚀刻或粘贴的方式制作于所述光学掩模（103）上。
5.如权利要求4所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述光学掩模（103）上的弧形相移条纹图案的尺寸根据所述结构光掩模盘r和弧形相移条纹图案数量N决定，并且所述弧形相移条纹图案的弧向长度小于或等于2πr/N。
6.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述光学掩模（103）的旋转速度fm的取值范围是7.5Hz≤fm≤50Hz。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像***，其特征在于，所述光学掩模（103）在旋转运动过程中对所述照明单元（102）发出的出射光进行时间调制积分，调制生成不同的光强度。
8.一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采用如权利要求1-7任一所述的成像***获取包含被测目标几何信息的投影图像序列；
S2，对所述包含被测目标几何信息的投影图像序列进行极线校正，得到校正条纹图像；
S3，从所述校正条纹图像中解析出纹理图像信息和截断相位信息；
S4，对所述截断相位信息进行展开，计算出连续相位信息；
S5，利用光学掩模调制生成的条纹结构光圆形排列特性，建立绝对相位值与三维空间圆锥体的对应关系，并结合三角测量原理反向投影迭代求解相机光线与相应的圆锥体的交点坐标，并计算出被测目标三维几何数据；
半径r c 与所述连续相位信息满足如下关系：
其中，所述光学掩模（103）是圆形，r min 和r max 是圆形光学掩模（103）上的弧形相移条纹图案的内半径和外半径，r c 是圆形光学掩模（103）的圆半径，是归一化的连续相位信息。
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