CN113654486A - 一种快速彩色条纹图相位解调算法及*** - Google Patents

一种快速彩色条纹图相位解调算法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速彩色条纹图相位解调算法及***，首先使用标定平板对测量***进行预标定，求出耦合强度系数；其次使用该***分别向待测物投影一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图，对两幅图分别去耦后，使用均匀强度图求取背景项和调制度，对彩色条纹图进行去背景和色彩归一化，得到三幅无背景的、色彩归一的条纹图；然后使用相移法对这三幅条纹图求取解调相位；最后对得到的解调相位进行去包裹，得到解包裹相位。经过背景项标定后实现了单幅彩色条纹图相移法解调，既保留了传统灰度相移法解调的鲁棒性，又是实现了快速相位解调，满足了动态三维形貌测量的需求。

Description

一种快速彩色条纹图相位解调算法及***
技术领域
本发明属于光学三维测量技术领域，具体涉及一种快速彩色条纹图相位解调算法及***。
背景技术
近几十年来，动态三维形貌测量技术被广泛的应用于各个领域，机器视觉、工业自动检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学和影视特技制作等。为了实现动态物体的快速三维测量，通常采用多摄像机的立体视觉方法和条纹轮廓术。其中立体视觉由于存在立体匹配的不确定性使测量精度低，且多相机增加了测量成本。而条纹投影轮廓术具有非接触、全场、高精度等优点，得到了广泛的发展和应用。条纹投影轮廓术方法目前主要采用灰度编码和彩色编码两种途径，采集到经待测物调制的变形编码条纹后，通过相位解调、相位解包裹和相位到高度的映射这三个流程重建物体形貌。其中相位解调的速度和精度对三维形貌测量结果具有决定性的意义，因此学者展开了大量的研究。
在现有的相位解调方法中，最常用的两种方法是空域法和相移法，其中空域法虽然只需采集一幅灰度条纹图就可提取相位，满足动态测量的需求，但当测量对象是表面复杂的物体时，该方法容易出现频谱混叠，导致相位提取错误；而相移法，由于对环境光不敏感、能够获得像素级相位点，且使用多幅图(三幅以上)的强度关系提取相位，因此解调精度高，然而采集多幅图像对于动态测量来说是不可接受的，因为投影仪图案序列中的同一个点可能会由于待测物深度的变化而映射到所采集图像中的不同点，导致解调相位误差，限制了动态测量的精度。然而随着各行各业的发展，对动态物体的测量需求越来越大，且对速度和精度都有了更高的要求，因此需要一种精度和速度兼顾的动态三维形貌测量技术。
基于以上考虑，随着彩色相机的发展，相比于传统的单通道的灰白相机，彩色相机有三个通道，因此学者们将三幅灰度条纹图编码在一幅彩色条纹图中，减少了图片幅数，提高了投影采集的效率。但在彩色条纹图的使用中，不可避免的是三个通道之间的色彩耦合和不平衡问题。对于色彩耦合问题，可以通过***预标定方法进行去除；对于色彩不平衡的问题，学者Pan等人投影采集三幅以上彩色条纹图，求取每个通道的背景项和调制度，进行三通道的色彩归一化校正(文献Color-encoded digital fringe projection techniquefor high-speed 3-D shape measurement:color coupling and imbalancecompensation)，该方法归一化精度高，但需要投影采集的图片过多，不适合快速测量。
发明内容
针对现有的动态三维形貌测量技术受到相位解调方法的限制，效率和精度不能同时兼顾的问题，本发明目的在于提出一种鲁棒性高的相位解调方法，能够快速求解解调相位，满足动态测量的需求。
为达到上述目的，本发明所述一种快速彩色条纹图相位解调算法，首先在标定平板上投影三幅红绿蓝均匀图，提取耦合强度系数，对***进行预标定；；其次使用预标定后的***分别向待测物投影一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图，对两幅图分别去耦后，使用均匀强度图求取背景项和调制度，对彩色条纹图进行去背景和色彩归一化，得到三幅无背景的、色彩归一的灰度条纹图；然后使用相移法对这三幅灰度条纹图求取解调相位；最后对得到的解调相位进行解包裹，求取解包裹相位，重建三维形貌。
进一步的，包括以下步骤：
步骤1：向标定白板投影三幅强度一致的红色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000021
绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000022
和蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000023
拍摄投影的均匀强度图，采集到红色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000024
绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000025
和蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000026
步骤2：利用步骤1采集到的三幅红、绿、蓝均匀强度图
Figure BDA0003215843730000027
计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数；
步骤3：步骤1和步骤2预标定完成之后，开始正式测量。在同一测量***下，向待测物4投影一幅均匀强度图像Ipu，并同步拍摄图像，采集到一幅投影的均匀强度图Icu；
步骤4：在同一测量***下，向被测对象投影一幅彩色条纹图Ip并同步拍摄采集到一幅彩色条纹图Ic；
步骤5：利用耦合强度系数，分别对单幅均匀强度图Icu和单幅彩色条纹图Ic去耦，得到去耦后的均匀强度图Icud和彩色条纹图Icd；
步骤6：利用去耦均匀强度图Icud，以一个通道为基准通道，求取另外两个颜色通道分别对基准通道的调制度比值；
步骤7：对去耦后的彩色条纹图进行去背景，得到去背景后的彩色条纹图Ideback，
Figure BDA0003215843730000031
是Ideback中红、绿、蓝三个不同通道的灰度条纹图；
步骤8：以蓝色通道为基准，利用步骤6得到的调制度比值，对去背景后的灰度条纹图
Figure BDA0003215843730000032
进行调制度归一，得到色彩归一化的三幅灰度条纹图；
步骤9：利用色彩归一化的三幅灰度条纹图求解解调相位；
步骤10：对步骤9的解调相位进行解包裹，重建三维形貌，并将采集的均匀强度图覆盖在重建的三维图上，得到一幅纹理和颜色并存的真实三维图像。
进一步的，通过不同通道之间的强度比值，计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数。
进一步的，步骤5中，均匀强度图Icu的去耦公式为：
Figure BDA0003215843730000033
其中，
Figure BDA0003215843730000034
分别为均匀强度图Icu的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像；
Figure BDA0003215843730000035
Figure BDA0003215843730000036
分别为均匀强度图Icu去耦后红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像，
Figure BDA0003215843730000037
Figure BDA0003215843730000038
与
Figure BDA0003215843730000039
含义一致；Krg,Krb分别为采集到的红色均匀强度图
Figure BDA00032158437300000310
中，红色主颜色通道对绿色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kgr,Kgb分别为采集到的绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000041
中，绿色主颜色通道对红色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kbr,Kbg分别为采集到的蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000042
中，蓝色主颜色通道对红色通道和绿色通道的耦合强度系数；
彩色条纹图Ic的去耦公式为：
Figure BDA0003215843730000043
其中，
Figure BDA0003215843730000044
分别为彩色条纹图Ic的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图；
Figure BDA0003215843730000045
分别为去耦后的彩色条纹图Icd的红色通道、绿色通道、蓝色通道的强度，
Figure BDA0003215843730000046
分别为
Figure BDA0003215843730000047
的背景项，
Figure BDA0003215843730000048
分别为
Figure BDA0003215843730000049
的调制度。
进一步的，步骤6中，调制度比值M1,M2计算公式如下：
Figure BDA00032158437300000410
其中，其中corr1,corr2,corr3,corr4均为调制因子，
Figure BDA00032158437300000411
为基准通道的去耦后的均匀强度图，
Figure BDA00032158437300000412
和
Figure BDA00032158437300000413
分别是另外两个通道的去耦后的均匀强度图。
进一步的，步骤9中，利用三步相移法，对色彩归一化的三幅灰度条纹图求解解调相位。
进一步的，步骤10中，利用质量引导算法，对步骤9得到的解调相位进行解包裹。
一种快速彩色条纹图相位解调***，包括彩色相机、投影仪和上位机；所述彩色相机和投影仪的输出端、输入端均与上位机连接，用于收发上位机的指令；所示投影仪用于向标定白板投影红色均匀强度图、绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图，用于向待测物投影彩色条纹图和均匀强度图；彩色相机用于拍摄标定用的投影的均匀强度图，以及投影在被测物上的彩色条纹图和均匀强度图像，并将拍摄的图像传递至上位机，上位机上存储有可在上位机上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，对接收到的图像处理后进行相位解调，求取解包裹相位，重建三维形貌。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.本发明方法中，通过在待测物上投影采集一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图实现相移法解调，而传统的相移法解调需要三幅以上的条纹图，因此本发明方法减少了采集的图片幅数，实现了快速相位解调，有利于动态三维测量。同时，通过采集的均匀强度图，可以提取待测物上每个像素点的(R,G,B)值的大小，保留了物体表面的颜色信息，在完成三维重建后，将其覆盖在表面纹理上，更加形象的展现了物体表面形貌。
2.本发明使用一幅均匀强度图提取待测物的背景项并计算每个通道之间的调制度比值，然后利用调制度比值对彩色条纹图所包含的三个通道的灰度条纹图进行去背景及色彩归一，使用归一化后的三幅灰度条纹图就可进行相移法解调。本发明方法实现了单幅彩色条纹图相移法解调，既保留了传统灰度相移法解调的鲁棒性，又提高了测量效率，满足了动态三维形貌测量的需求；
3.本发明方法将传统的三幅灰度条纹图编码在一幅彩色条纹图上，通过单幅均匀强度图计算调制度比值，对彩色条纹图进行色彩归一，实现了色彩不平衡校正，与传统色彩归一化方法相比，将归一化所需的彩色条纹图幅数从多幅(三幅以上)降为一幅，减少了条纹图的采集次数，有利于动态三维测量。
附图说明
图1为一种快速彩色条纹图相位解调算法的流程示意图。
图2a为仿真的带耦合和噪声的彩色条纹图；
图2b为仿真的带耦合和噪声的均匀强度图；
图2c为a中白色实线对应的横截面；
图2d为b中白色实线对应的横截面。
图3a为图2a去耦合后的彩色条纹图横截面；
图3b去图3a去背景后的彩色条纹图横截面；
图3c为图3b色彩归一化后的条纹图横截面。
图4a为仿真实验的解调相位；
图4b为图4a中白色实线对应的解调相位横截面；
图4c为12步灰度相移法和本发明方法求取的解调相位横截面；
图4d为本发明方法的解调相位误差。
图5a为人脸模型测量实验中采集的均匀强度图的红色通道；
图5b为人脸模型测量实验中采集的均匀强度图的绿色通道；
图5c为人脸模型测量实验中采集的均匀强度图的蓝色通道；
图5d为图5a、图5b、图5c中的白色实线对应的横截面。
图6a为人脸模型测量实验中采集的彩色条纹；
图6b为图6a去耦合、去背景后的彩色条纹；
图6c为图6b归一化后的彩色条纹。
图7a为人脸模型的解调相位；
图7b为图7a中解调相位；
图7c为12步灰度相移法和本发明方法求取的解调相位横截面；
图7d为本发明方法的解调相位误差；
图8a为人脸模型的解包裹相位图；
图8b为覆盖表面颜色信息的人脸模型相位图。
图9为测量***示意图。
附图中，1-彩色相机，2-投影仪，3-上位机，4-待测物。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速彩色条纹图相位解调算法。首先使用标定平板对测量***进行预标定，求出耦合强度系数；其次使用该***分别向待测物投影一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图，对两幅图分别去耦后，使用均匀强度图求取背景项和调制度，对彩色条纹图进行去背景和色彩归一化，得到三幅无背景的、色彩归一的条纹图；然后使用相移法求取解调相位；最后对得到的解调相位进行解包裹，得到解包裹相位。使用一幅彩色条纹图快速得到解调相位，为后续的相位解包裹提供数据，实现动态物体的三维形貌重建。
参照图1，一种快速彩色条纹图相位解调算法，包括以下步骤：
步骤一：使用图9测量***中的投影仪2分别向标定白板投影三幅强度一致的红色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000081
绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000082
和蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000083
强度范围为120～220(依据不同相机的强度线性范围而定)，通过彩色相机1拍摄投影的均匀强度图，采集到红色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000084
绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000085
和蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000086
注：本发明方法中，投影采集的图片均具有红、绿、蓝三个通道。
投影的红、绿、蓝均匀强度图公式如下：
Figure BDA0003215843730000087
Figure BDA0003215843730000088
Figure BDA0003215843730000089
实际采集的红、绿、蓝均匀强度图公式如下：
Figure BDA00032158437300000810
Figure BDA00032158437300000811
Figure BDA00032158437300000812
其中
Figure BDA00032158437300000813
分别是投影的红色均匀图
Figure BDA00032158437300000814
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；
Figure BDA00032158437300000815
分别是投影的绿色均匀图
Figure BDA00032158437300000816
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；
Figure BDA00032158437300000817
分别是投影的蓝色均匀图
Figure BDA00032158437300000818
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图。
Figure BDA00032158437300000819
分别是采集的红色均匀图
Figure BDA00032158437300000820
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；
Figure BDA00032158437300000821
分别是采集的绿色均匀图
Figure BDA00032158437300000822
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图；
Figure BDA00032158437300000823
分别是采集的蓝色均匀图
Figure BDA00032158437300000824
的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图。
步骤二：利用步骤一采集到的三幅红、绿、蓝均匀强度图
Figure BDA00032158437300000825
的不同通道之间的强度比值，计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数；
Figure BDA00032158437300000826
其中，Krg,Krb分别为采集到的红色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000091
中，红色主颜色通道对绿色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kgr,Kgb分别为采集到的绿色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000092
中，绿色主颜色通道对红色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kbr,Kbg分别为采集到的蓝色均匀强度图
Figure BDA0003215843730000093
中，蓝色主颜色通道对红色通道和绿色通道的耦合强度系数。
注：步骤一和步骤二是预标定环节，在正式测量之前完成。由于颜色耦合主要是由***硬件设备引起的，是红、绿、蓝光谱重叠固有存在的问题，所以可以通过本步骤预标定得到耦合关系，为之后采集的图片提供去耦数据。
步骤三：经过步骤一和步骤二预标定之后，开始正式测量。在同一测量***下，使用投影仪向待测物4投影一幅均匀强度图Ipu，通过彩色相机1同步拍摄图像，采集到一幅投影的均匀强度图Icu。
投影的均匀强度图Ipu的红、绿、蓝三个通道的强度图分别为
Figure BDA0003215843730000094
并且
Figure BDA0003215843730000095
如下所示：
Figure BDA0003215843730000096
Figure BDA0003215843730000097
Figure BDA0003215843730000098
实际采集的均匀强度图Icu的红、绿、蓝三个通道的强度图分别为
Figure BDA0003215843730000099
并且
Figure BDA00032158437300000910
如下所示：
Figure BDA00032158437300000911
Figure BDA00032158437300000912
Figure BDA00032158437300000913
其中，
Figure BDA00032158437300000914
是设置的投影强度，与步骤四中投影的彩色条纹图的背景项强度一致。
Figure BDA00032158437300000915
是实际采集到的均匀图强度。
步骤四：在同一测量***下，由投影仪向被测对象投影一幅彩色条纹图Ip，
Figure BDA00032158437300000916
分别为投影的彩色条纹图Ip中红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图，并且
Figure BDA0003215843730000101
通过彩色相机同步拍摄，采集到一幅彩色条纹图Ic，
Figure BDA0003215843730000102
分别为采集的彩色条纹图Ic中红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图，并且
Figure BDA0003215843730000103
具体如下式所示：
投影的彩色条纹图Ip三个通道的灰度条纹图分别为：
Figure BDA0003215843730000104
Figure BDA0003215843730000105
Figure BDA0003215843730000106
采集的彩色条纹图Ic三个通道的灰度条纹图分别为：
Figure BDA0003215843730000107
Figure BDA0003215843730000108
Figure BDA0003215843730000109
其中，
Figure BDA00032158437300001010
分别为
Figure BDA00032158437300001011
的背景项，
Figure BDA00032158437300001012
分别为
Figure BDA00032158437300001013
的调制度；
Figure BDA00032158437300001014
分别为
Figure BDA00032158437300001015
的背景项，
Figure BDA00032158437300001016
分别为
Figure BDA00032158437300001017
的调制度，φ是包裹相位。注意：输入的条纹图中
Figure BDA00032158437300001018
但由于耦合和色彩不平衡等因素的影响，导致采集到的条纹图中
Figure BDA00032158437300001019
这就是色彩不归一问题，具体如图2所示。图2a是仿真的带耦合和高斯误差的彩色条纹图，图2c是图2a白色实线对应的横截面，可以看到，加入耦合和和噪声后彩色条纹图三个通道的条纹幅值不一致，即就是色彩不归一；图2b是仿真的带耦合和高斯误差的均匀强度图，图2d是图2b白色实线对应的横截面，可以看到，加入噪声后，强度均匀图出现了毛刺，加入耦合后，三幅均匀图强度不一致。其中仿真时的耦合系数设置为Krg＝0.1,Krb＝0.05，Kgr＝0.23,Kgb＝0.12，Kbr＝0.05,Kbg＝0.12。图5a-图5c是实际采集的人脸模型的均匀强度的三个通道的图像，从图5d可以看到，由于色彩耦合和不平衡的影响，三个通道的均匀图强度并不一致，这就需要后续步骤中的去耦和色彩归一化。
步骤五：利用步骤二求得的耦合强度系数，分别对步骤三、步骤四中采集到的单幅均匀强度图Icu和单幅彩色条纹图Ic去耦，得到去耦均匀强度图Icud和去耦彩色条纹图Icd，计算公式为：
对采集的均匀强度图Icu去耦：
Figure BDA0003215843730000111
Figure BDA0003215843730000112
Figure BDA0003215843730000113
Figure BDA0003215843730000114
分别为均匀强度图Icu的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像；
Figure BDA0003215843730000115
Figure BDA0003215843730000116
分别为去耦均匀强度图Icud的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像，
Figure BDA0003215843730000117
与
Figure BDA0003215843730000118
含义一致。
首先对
Figure BDA0003215843730000119
进行去耦校正，得到
Figure BDA00032158437300001110
然后使用已校正的强度
Figure BDA00032158437300001111
对
Figure BDA00032158437300001112
进行去耦，得到
Figure BDA00032158437300001113
最后使用已校正的强度
Figure BDA00032158437300001114
和
Figure BDA00032158437300001115
对
Figure BDA00032158437300001116
进行去耦，得到
Figure BDA00032158437300001117
对采集的彩色条纹图Ic去耦：
Figure BDA00032158437300001118
Figure BDA00032158437300001119
Figure BDA00032158437300001120
Figure BDA00032158437300001121
分别为采集的彩色条纹图Ic的红色通道、绿色通道、蓝色通道的灰度条纹图；
Figure BDA00032158437300001122
分别为去耦后的彩色条纹图Icd的红色通道、绿色通道、蓝色通道的灰度条纹图，
Figure BDA00032158437300001123
分别为
Figure BDA00032158437300001124
的背景项，
Figure BDA00032158437300001125
分别为
Figure BDA00032158437300001126
的调制度；
首先对
Figure BDA00032158437300001127
进行去耦校正，得到
Figure BDA00032158437300001128
然后使用已校正的强度
Figure BDA00032158437300001129
对
Figure BDA00032158437300001130
进行去耦，得到
Figure BDA00032158437300001131
最后使用已校正的强度
Figure BDA00032158437300001132
和
Figure BDA00032158437300001133
对
Figure BDA00032158437300001134
进行去耦，得到
Figure BDA00032158437300001135
本步骤的去耦校正思想是使用已经校正的通道强度对其他通道进行去耦校正，去耦效果更优。
步骤六：利用步骤五得到的红色通道、绿色通道、蓝色通道的去耦均匀强度图
Figure BDA0003215843730000121
Figure BDA0003215843730000122
以蓝色通道为基准，求取红色通道、绿色通道分别对蓝色通道的均匀强度图调制度比值M1,M2，如下式所示：
Figure BDA0003215843730000123
其中，其中corr1,corr2,corr3,corr4均为调制因子，取值为-5:5，用以保证三幅灰度条纹图归一化程度更好；(x,y)是均匀强度图的像素点坐标，
Figure BDA0003215843730000124
是
Figure BDA0003215843730000125
坐标为(x,y)时的像素点强度值，
Figure BDA0003215843730000126
是
Figure BDA0003215843730000127
坐标为(x,y)时的像素点强度值，
Figure BDA0003215843730000128
是
Figure BDA0003215843730000129
坐标为(x,y)时的像素点强度值，M1(x,y)是M1坐标为(x,y)时的数值，M2(x,y)是M2坐标为(x,y)时的数值。
同样地，本步骤也可以分别以红色通道和绿色通道为基准求取调制度比值。例如以红色通道为基准时，求取绿色通道、蓝色通道分别对红色通道的均匀强度图调制度比值M1,M2，如下式所示：
Figure BDA00032158437300001210
以绿色通道为基准时，求取红色通道、蓝色通道分别对绿色通道的均匀强度图调制度比值M1,M2，如下式所示：
Figure BDA00032158437300001211
本步骤无论以红、绿、蓝哪个通道作为基准求取调制度比值，均不影响测量结果。
步骤七：由步骤二和步骤三可知，投影的均匀图强度Ipu的强度和彩色条纹图Ip的背景项强度是相等的，但由于颜色耦合和不平衡等问题，导致实际采集到的均匀图强度Icu的强度和彩色条纹图Ic的背景项强度不一致。经过步骤五去耦校正，求得去耦后的均匀强度图Icud的强度与彩色条纹图Icd的背景项强度一致，即
Figure BDA00032158437300001212
对去耦后的彩色条纹图Icd的三个通道的灰度条纹图
Figure BDA00032158437300001213
进行去背景，得到去背景后的彩色条纹图Ideback，
Figure BDA0003215843730000131
计算公式如下:
Figure BDA0003215843730000132
Figure BDA0003215843730000133
Figure BDA0003215843730000134
由于
Figure BDA0003215843730000135
则：
Figure BDA0003215843730000136
Figure BDA0003215843730000137
Figure BDA0003215843730000138
其中，
Figure BDA0003215843730000139
分别是Ideback中红色、绿色、蓝色通道的灰度条纹图。图2a中带耦合、高斯噪声的条纹图经过去耦、去背景、归一化处理后得到图3的结果，其中图3a是去耦合后的彩色条纹图横截面，使用本步骤对图3a进行去背景得到图3b,从图3b可以看到去背景后条纹图以0为中心，实现了完全去背景，也表明了去耦校正方法有效。图6是对人脸模型实际测量时的去耦、去背景、归一化结果，其中图6a是去耦合后的条纹图截面图，图6b是对图6a去背景后的结果，可以看到去背景后，条纹图是以0为中心线的正弦曲线，即实现了完全去背景。
步骤八：以蓝色通道为基准，利用步骤六得到的调制度比值M1,M2，对步骤七得到的去背景后的灰度条纹图
Figure BDA00032158437300001310
进行调制度归一，具体如下式所示：
Figure BDA00032158437300001311
Figure BDA00032158437300001312
Figure BDA00032158437300001313
其中，I1,I2,I3是色彩归一化后的三幅灰度条纹图。图3c展示的是仿真条纹图最终实现色彩归一化后的横截面，可以看到经过本步骤归一化后，三幅灰度条纹图实现了很好地色彩归一。图6c展示的是对实际采集的人脸模型进行测量时，最终得到的色彩归一化后的条纹图截面图，可以看到，在实际测量中，经过本发明方法最终实现了条纹图的色彩归一。
注：以上步骤中的耦合强度系数、背景项和调制度比值也可以通过对待测物投影三幅红绿蓝均匀图得到，然后对一幅彩色条纹图进行去耦、去背景和色彩归一。
步骤九：利用三步相移法，对步骤六中得到的色彩归一化的三幅灰度条纹图I1,I2,I3求解解调相位φ。如下式所示
Figure BDA0003215843730000141
图4a为本发明方法得到的仿真平面的解调相位图，图4b是图4a中白色实线对应的解调相位，可以看到求出的相位幅值在(-π,π)之间。由于相移法解调中，相移步数越多，解调精度越高，因此将12步相移解调法作为参考，评价本发明方法的解调相位误差。图4c是本发明方法和12步相移法解调得到的解调相位的截面图，图4d是将图4c中两种方法得到的解调相位做差得到的相位误差，可以看到本发明方法在仿真结果中误差在0.04rad之内。而图7a至图7d是使用本发明方法对人脸模型进行测量得到的结果，解调相位误差在0.08rad之内，是仿真结果的两倍，这是由于在实际测量中，环境误差，***误差是随机的、不可控的，因此误差会比仿真结果偏大，但不影响后续解包裹，两者的误差均在误差范围之内，满足高精度测量的要求。
步骤十：利用质量引导解包裹算法，对步骤九得到的解调相位进行解包裹，重建三维形貌，并将采集的均匀强度图覆盖在重建的三维图上，得到一幅纹理和颜色并存的真实三维图像。图8a和图8b展示的重建的三维形貌及其覆盖颜色后的图像，可以看到本发明方法可以由一幅均匀图和一幅彩色条纹图求解出物体的解包裹相位，实现物体的三维形貌重建。
参照图9，一种基于单幅彩色条纹图的动态三维形貌测量设备，包括彩色相机1、投影仪2和上位机3，彩色相机1和投影仪2的输出端、输入端均与上位机连接，用于收发上位机的指令。投影仪2用于向标定白板投影红色均匀强度图、绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图，用于向待测物4投影一幅彩色条纹图和均匀强度图像；彩色相机1用于拍摄标定用的投影的均匀强度图以及被测物上的彩色条纹图的投影图像和均匀强度图像，并将拍摄的图像传递至上位机，上位机上存储有可在上位机上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的相位解调方法的步骤，根据接收到的图像计算其解调相位φ，并根据解调相位φ进行解包裹，求取解包裹相位，重建三维形貌。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述上位机可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述上位机可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
本发明所公开方法为动态三维形貌测量提供了新的思路，首先对***进行预标定，得到耦合强度系数。之后进入正式测量，给待测物上先后投影一幅均匀强度图和彩色条纹图，彩色相机同步采集这两幅图像，计算机对采集到的图像进行快速的去耦、去背景、色彩归一，分离出三幅无背景、色彩归一的灰度相移条纹图，进而采用相移法进行解调，得到解调相位。本发明方法，将相移法所需要的条纹图像幅数从多幅降为一幅，通过采集单帧图像提取需要的信息，因此测量精度不受物体运动速度的影响，可实现运动物体的同步三维形貌重建；同时，本发明方法提取了待测物体颜色信息，丰富了物体重建后的形貌，更加形象的展现了三维物体形貌；对于彩色条纹图存在的色彩不平衡问题，通过提取均匀强度图的背景，得到调制度比值，进而对彩色条纹图进行色彩归一化处理，改善了传统色彩归一化方法的效率问题。综上，经过仿真和实验验证，对于运动物体的测量，本发明很好地兼顾了效率和精度，能够实现快速的、高精度的动态物体三维形貌重建。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，首先使用标定平板对测量***进行预标定，求出耦合强度系数；其次使用该***分别向待测物投影一幅均匀强度图和一幅彩色条纹图，对两幅图分别去耦后，使用均匀强度图求取背景项和调制度，对彩色条纹图进行去背景和色彩归一化，得到三幅无背景的、色彩归一的灰度条纹图；然后使用相移法对这三幅灰度条纹图求取解调相位；最后对得到的解调相位进行解包裹，求取解包裹相位，重建三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：向标定白板投影三幅强度一致的红色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000011
绿色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000012
和蓝色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000013
拍摄投影的均匀强度图，采集到红色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000014
绿色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000015
和蓝色均匀强度图
Figure FDA0003215843720000016
步骤2：利用步骤1采集到的三幅红、绿、蓝均匀强度图
Figure FDA0003215843720000017
计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数进行预标定；
步骤3：步骤1和步骤2预标定完成之后，开始正式测量。在同一测量***下，向待测物4投影一幅均匀强度图Ipu，并同步拍摄图像，采集到一幅投影的均匀强度图Icu；
步骤4：在同一测量***下，向被测对象投影一幅彩色条纹图Ip并同步拍摄采集到一幅彩色条纹图Ic；
步骤5：利用耦合强度系数，分别对均匀强度图Icu和彩色条纹图Ic去耦，得到去耦后的均匀强度图Icud和彩色条纹图Icd；
步骤6：利用去耦均匀强度图，以一个通道为基准通道，求取另外两个颜色通道分别对基准通道的调制度比值；
步骤7：对去耦后的彩色条纹图Icd进行去背景，得到去背景后的彩色条纹图Ideback，其中
Figure FDA0003215843720000018
Figure FDA0003215843720000019
是Ideback中红、绿、蓝三个不同通道的灰度条
步骤8：以蓝色通道为基准，利用步骤6得到的调制度比值，对灰度条纹图
Figure FDA0003215843720000021
进行调制度归一，得到色彩归一化的三幅灰度条纹图；
步骤9：对色彩归一化的三幅灰度条纹图求解解调相位；
步骤10：对解调相位进行解包裹，重建三维形貌，并将采集的均匀强度图覆盖在重建的三维图上，得到一幅纹理和颜色并存的真实三维图像。
3.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，所述步骤2中，通过不同通道之间的强度比值，计算每个主颜色通道在其他两个通道的耦合强度系数。
4.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，所述步骤5中，均匀强度图Icu的去耦公式为：
Figure FDA0003215843720000022
其中，
Figure FDA0003215843720000023
分别为均匀强度图Icu的红色通道、绿色通道、蓝色通道的图像；
Figure FDA0003215843720000024
Figure FDA0003215843720000025
分别去耦后的均匀强度图Icud的红色通道、绿色通道、蓝色通道图像，
Figure FDA0003215843720000026
Figure FDA0003215843720000027
与
Figure FDA0003215843720000028
含义一致；Krg,Krb分别为采集到的红色均匀强度图中，红色主颜色通道对绿色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kgr,Kgb分别为采集到的绿色均匀强度图中，绿色主颜色通道对红色通道和蓝色通道的耦合强度系数；Kbr,Kbg分别为采集到的蓝色均匀强度图中，蓝色主颜色通道对红色通道和绿色通道的耦合强度系数；
彩色条纹图Ic的去耦公式为：
Figure FDA0003215843720000029
其中，
Figure FDA00032158437200000210
分别为采集的彩色条纹图Ic中红色通道、绿色通道、蓝色通道上的灰度条纹图；
Figure FDA00032158437200000211
分别为去耦后的彩色条纹图Icd的红色通道、绿色通道、蓝色通道灰度条纹图，
Figure FDA0003215843720000031
分别为
Figure FDA0003215843720000032
的背景项，
Figure FDA0003215843720000033
分别为
Figure FDA0003215843720000034
Figure FDA0003215843720000035
的调制度。
5.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，所述步骤6中，调制度比值M1,M2计算公式如下：
Figure FDA0003215843720000036
其中，其中corr1,corr2,corr3,corr4均为调制因子，
Figure FDA0003215843720000037
是去耦后的均匀强度图Icud的红色通道、绿色通道、蓝色通道上的均匀强度图。
6.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，所述步骤9中，利用三步相移法，对色彩归一化的三幅灰度条纹图求解解调相位。
7.根据权利要求1所述的一种快速彩色条纹图相位解调算法，其特征在于，所述步骤10中，利用质量引导算法，对步骤9得到的解调相位进行解包裹。
8.一种快速彩色条纹图相位解调三维测量***，其特征在于，包括彩色相机(1)、投影仪(2)和上位机；所述彩色相机(1)和投影仪(2)的输出端、输入端均与上位机连接，用于收发上位机的指令；所示投影仪(2)用于向标定白板投影红色均匀强度图、绿色均匀强度图和蓝色均匀强度图，用于向待测物(4)投影彩色条纹图和均匀强度图像；彩色相机(1)用于拍摄标定用的投影的均匀强度图，以及被测物上的彩色条纹图的投影图像和均匀强度图像，并将拍摄的图像传递至上位机，上位机上存储有可在上位机上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，对接收到的图像到进行相位解调，求取解包裹相位，重建三维形貌。
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CN116625275A (zh) * 2023-03-31 2023-08-22 东莞理工学院 一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法
CN116625275B (zh) * 2023-03-31 2024-02-13 东莞理工学院 一种基于光场信息融合的超薄多层图形微纳结构三维重构方法

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