CN114170345A - 一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，通过参考N步正弦相移条纹图案，分析正弦条纹一个周期内的光强变化，对若干幅黑白条纹进行编码，使编码的黑白条纹在一系列叠加运算后所组成的图案与正弦相移图案基本一致。分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹宽度以及相机采集图像数据的分辨率进行设计，确保每个所得的像素的数据具有唯一性。本发明不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小；也不会造成因离焦操作带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响。

Description

一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体地说，涉及一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法。

背景技术

光学三维测量技术在现代测量中具有重要的意义。在众多三维测量技术中，条纹投影轮廓术具有结构简单、精度高、速度快、成本低、易实现等优点，其在工业和科学研究领域都有较广泛的应用。通过投影条纹到被测物体表面，经由相机采集并分析采集回来的受物体表面高度调制的图像，测得物体的三维面形数据。由于市面上常见的投影仪存在gamma效应，导致采集回来的条纹存在非线性误差。如果不对投影的非线性问题进行规避和校正，那么测量结果的精度和质量很难保证。

许多研究提出了对校正非线性问题的方法，以及做出对应实验证明了这些方法的有效性。Zhang比较了主动和被动投影非线性gamma补偿方法对减少相位误差的效果(Zhang,Song.Comparative study on passive and active projector nonlinear gammacalibration[J].Applied Optics,2015,54(13):3834-3841.)。主动法通过在投影前对条纹图进行修正来保证条纹正弦性，而被动方法在捕捉到受调制的正弦条纹后对相位误差进行补偿校正。结果展示了两种方法之间的差异，为校正非线性问题提供了参考。Feng等人受人工智能的光学成像应用的启发，提出了一种基于深度学习的校正方法(Feng S,Zuo C,Zhang L,et al.Generalized framework for non-sinusoidal fringe analysis usingdeep learning[J].光子学研究:英文版,9(6):15.)。该方法所提出的深度学习技术可以分析导致非正弦的因素和图像数据，通过训练有素的深度神经网络，有效抑制了多种非正弦模式引起的相位误差。使用二值条纹进行投影测量，可以主动避免投影仪gamma效应，但是二值条纹直接投影存在高次谐波，不适宜直接用于测量。Lei等人提出一种二值方波离焦技术(Squared Binary Defocusing Method,SBM)，对二值条纹进行一定程度离焦，有效滤除了光场中的高次谐波，获得了高质量的正弦条纹(Lei S,Zhang S.Flexible 3-D shapemeasurement using projector defocusing[J].Optics Letters,2009,34(20):3080-2.)。该技术为离焦三维测量方法奠定了基础，如今二值离焦技术在三维测量领域得到了广泛的应用。Ayubi[12]等人提出了正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)的一维调制离焦技术获取正弦条纹的方法。通过在正弦信号中加入载频和对其限幅，将其变成稍微离焦就可以得到正弦条纹的二值条纹(Pulse-width modulation indefocused three-dimensional fringe projection[J].Optics Letters,2010,35(21):3682-3684.)。此后，William Lohry等人提出了二维区域调制技术，当投影仪未完全对焦时，对局部2×2像素进行调制以创建五个灰度值来提高条纹质量。采用这种二维调制技术，当条纹图案密集且投影仪几乎聚焦时，就能大幅降低相位误差(Lohry W,Song Z.3D shapemeasurement with 2D area modulated binary patterns[J].Optics and Lasers inEngineering,2012,50(7):917–921.)。虽然通过离焦技术进行三维测量会减少相位误差，但同时也会较低条纹的对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的错误。

发明内容

发明目的：本发明提出一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，无需进行离焦操作，解决了受硬件限制的问题以及因离焦操作带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据标准的N步正弦相移条纹一个周期内的光强变化，对若干幅黑白条纹图案进行编码；

步骤二：对编码的黑白条纹图案进行叠加运算处理，使运算后组成的图案与正弦相移图案一致；

步骤三：分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹以及相机采集图像数据的距离进行调整，确定每个黑白条纹的单位像素宽度；

步骤四：根据步骤三确定的每个黑白条纹的单位像素宽度，生成N步正弦相移条纹对应的黑白编码条纹。

优选的，步骤一中，黑白条纹图案编码过程如下：

第一幅黑白编码图案的第一个周期的最左端条纹为黑色，与其相接的条纹为白色；第一幅黑白编码图案第一个周期的最末端的条纹为白色，第一个周期的其余中间条纹均为黑色；第一幅黑白编码图案其余周期的条纹通过对第一个周期的条纹整***移实现；

第i幅黑白编码图案的第一个周期，通过将第i-1幅黑白编码图案的第一个周期内左端的白色条纹向右移一个单位的距离，同时右端的白色条纹向左移一个单位的距离，第i幅黑白编码图案其余周期的条纹通过对第一个周期的条纹整***移实现。

优选的，步骤二中，黑白条纹编码的叠加运算处理过程描述为：

其中，I为获得的条纹图像，m为设计构成一幅获得的条纹图像所需的图像数量，I_n为编码的黑白条纹图像，n为编码图案的序号，I_b为全黑图像。

优选的，步骤三中，对于相机采集图像数据的距离进行调整，需要投影图案的横向距离完全被相机采集到。

优选的，步骤三中，黑白条纹的单位像素宽度描述为：

其中，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度，W_p为投影仪横向分辨率，T为参考的正弦相移条纹周期，m为设计构成一幅获得的条纹图像所需的图像数量。

优选的，步骤三中，采集图像的横向分辨率描述为：

其中，W_c为设计的相机采集图像的横向分辨率，W_p为投影仪横向分辨率，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

本发明基于所提出的结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，所以也不会造成因离焦操作，带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的黑白编码条纹图；

图3为本发明实施例的一个周期黑白编码图像叠加处理原理图；

图4为本发明实施例的黑白编码图像获取正弦条纹图像示意图；

图5为本发明实施例的条纹单位宽度示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明所述的用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，流程如图1，采用二值编码与相移技术相结合的编码策略，利用二值条纹进行三维测量可以避免结构光***非线性。同时参考N步正弦相移条纹图案，分析正弦条纹一个周期内的光强变化，对若干幅黑白条纹进行编码，使编码的黑白条纹在一系列叠加运算后所组成的图案与正弦相移图案基本一致。考虑到利用叠加运算所构成的图案进行数据运算，很可能造成计算出的数据呈现离散的现象，所以分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹以及相机采集图像数据的距离进行调整，确保每个所得的像素的数据具有唯一性。基于所提出的结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，不需要投影设备具备离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，所以也不会造成因离焦操作，带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响。

标准的N步相移条纹图案可以描述为：

I_n＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2kπ/N]

(n＝1,2,...,N)

其中，I_n表示第n幅图，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为物体表面反射率，φ(x,y)为设计的相位值，k为任意整数，N表示N步相移。

本发明所述的用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据标准的N步正弦相移条纹一个周期内的光强变化，对若干幅黑白条纹图案进行编码。

本实施例利用8幅黑白编码图案来获取正弦条纹(根据实际位移步数确定所需要的相移图案幅数，例如：4步相移需要32幅黑白编码图案)。图2所示为两个周期的编码图案，参考正弦条纹一个周期光强由低到高然后由高到低，所以第一幅黑白编码图案的第一个周期的最左端条纹为黑色，然后光强升高，后面紧跟的条纹为白色；由于正弦条纹一个周期的对称性所以第一幅黑白编码图案第一个周期的最末端的条纹也为白色；第一个周期的其余中间条纹为黑色。条纹的其余几个周期通过位移实现。第二幅黑白编码图案的第一个周期，通过将第一幅黑白编码图案的第一个周期内左端的白色条纹向右移一个单位的距离，同时第一个周期内右端的白色条纹向左移一个单位的距离，第二幅黑白编码图案的其余周期的条纹图案同理使用位移实现。后续6幅图案按照上述方法以此类推，以形成8幅条纹。构造的8幅图像中黑色代表0，白色代表1，可见半个周期内组成的列向量线性无关，方便后续运算。

步骤二：如图3～图4所示，用多幅黑白图案来构成类似于正弦条纹的图案：对采集的8幅图案以及一幅全黑的图案，按照下面的处理过程获取正弦条纹：

式中I为获得的正弦条纹图像，I₁～I₈为编码的黑白条纹图像，数字下标为编码图案的序号。I_b为全黑图像。

步骤三：相机采集图像数据的距离进行调整，确定每个黑白条纹的单位像素宽度。

需要投影图案的横向距离完全被相机采集到，黑白条纹的单位像素宽度即设计为：

其中，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度，W_p为投影仪横向分辨率，T为参考的正弦相移条纹周期，m为设计构成一幅获得的条纹图像所需的图像数量。

本实施例中生成一幅投影图案的横向分辨率数据设计为1024个，条纹周期为32，所以一个周期内含有32个横向数据，因黑白叠加图案数量设计为8幅，8幅图像叠加在一起最多组成8个线性无关的列向量以组合成不同灰度的条纹。利用类似正弦条纹周期内由高到低由低到高的对称性，所以只需要设计黑白编码条纹一个周期32个数据中的16个数据。由于8幅图像只能组成8个不同的灰度等级，因此投影图像设计的16数据中每两个数据分配一个灰度等级所以条纹的单位宽度为两个像素，如图5所示。

为使得采集图像每个像素的数据具有唯一性，采集图像的横向分辨率可描述为：

其中，W_c为设计的相机采集图像的横向分辨率，W_p为投影仪横向分辨率，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度。

所以实施例中相机采集的图像的一个像素内就应该包含至少两个投影数据，相机采集图像的横向分辨率应小于1024/2即512像素。

步骤四：根据步骤三确定的每个黑白条纹的单位像素宽度，生成N步正弦相移条纹对应的黑白编码条纹。

基于上述步骤，即所提出的结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，所以也不会造成因离焦操作，带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种用于结构光投影非线性校正的条纹图案设计方法，其特征在于：包括：

步骤一：根据标准的N步正弦相移条纹一个周期内的光强变化，对若干幅黑白条纹图案进行编码；

步骤二：对编码的黑白条纹图案进行叠加运算处理，使运算后组成的图案与正弦相移图案一致；

步骤三：分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹以及相机采集图像数据的距离进行调整，确定每个黑白条纹的单位像素宽度；

步骤四：根据步骤三确定的每个黑白条纹的单位像素宽度，生成N步正弦相移条纹对应的黑白编码条纹。

2.根据权利要求1所述的条纹图案设计方法，其特征在于：步骤一中，黑白条纹图案编码过程如下：

第一幅黑白编码图案的第一个周期的最左端条纹为黑色，与其相接的条纹为白色；第一幅黑白编码图案第一个周期的最末端的条纹为白色，第一个周期的其余中间条纹均为黑色；第一幅黑白编码图案其余周期的条纹通过对第一个周期的条纹整***移实现；

第i幅黑白编码图案的第一个周期，通过将第i-1幅黑白编码图案的第一个周期内左端的白色条纹向右移一个单位的距离，同时右端的白色条纹向左移一个单位的距离，第i幅黑白编码图案其余周期的条纹通过对第一个周期的条纹整***移实现。

3.根据权利要求1或2所述的条纹图案设计方法，其特征在于：步骤二中，黑白条纹编码的叠加运算处理过程描述为：

其中，I为获得的条纹图像，m为设计构成一幅获得的条纹图像所需的图像数量，I_n为编码的黑白条纹图像，n为编码图案的序号，I_b为全黑图像。

4.根据权利要求1所述的条纹图案设计方法，其特征在于：步骤三中，对于相机采集图像数据的距离进行调整，需要投影图案的横向距离完全被相机采集到。

5.根据权利要求1或4所述的条纹图案设计方法，其特征在于：步骤三中，黑白条纹的单位像素宽度描述为：

其中，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度，W_p为投影仪横向分辨率，T为参考的正弦相移条纹周期，m为设计构成一幅获得的条纹图像所需的图像数量。

6.根据权利要求5所述的条纹图案设计方法，其特征在于：步骤三中，采集图像的横向分辨率描述为：

其中，W_c为设计的相机采集图像的横向分辨率，W_p为投影仪横向分辨率，W为设计的黑白条纹的单位像素宽度。

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