CN1786658A - 一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及装置，属于光学测量技术领域。首先投影仪产生一束经正弦调制后的白光，将白光照射到待测物体上，光场被待测物体调制，照相机拍摄得到图像，使用自相关法计算上述图像上各像素点的相位差，以另一波长进行正弦调制，重复上述过程得到相位差，对两次正弦调制的波长进行组合，得到组合波长和组合相位差，然后计算各像素点的深度，根据设定的物体表面的连续性约束条件，对各像素点的深度进行解包络，得到物体实际三维形状。本发明的装置包括：投影仪、照相机和计算机。本发明的方法和装置，算法稳定性好，可以测量表面形状更加复杂的物体，测量精度高于已有技术。

Description

一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及装置，属于光学(三维)测量技术领域。

背景技术

光学投影式轮廓测量技术可以分为两大类：直接三角法和相位测量法。直接三角法包括激光逐点扫描法、双目立体视觉法、结构光法(也称光切法)等。相位测量法以测量投影到物体上的栅像的相位为基础，有莫尔法、移相法、傅氏变换法等等。

双目立体视觉法从不同角度获取同一场景的两幅图像，如同人的双眼观察景物一样。计算机通过对同一物点在两幅图像上两个像点的检测和匹配，得到物体该点的深度信息。双目视觉成像的原理简单，但由于要在左右图像中匹配出对应的点，实际的计算过程很复杂，立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点。国内外众多学者对匹配进行了研究，提出了很多的匹配算法，例如利用外极线约束、相容性约束、唯一性约束形状连续性约束等条件来缩小匹配范围，以及广泛影响的MPG算法和多通道结构算法。KanadeT.等提出了基于自适应地选择模板窗口形状、大小的迭代匹配算法，此外还有基于金字塔图像结构的匹配算法、基于小波变换的多尺度匹配等。

结构光方法的基本思想就是利用照明中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。对于平坦的、无明显灰度、纹理和形状变化的表面区域，用结构光可形成明显的光条纹，方便图像的分析和处理。结构光方法计算简单、测量精度较高，在实际视觉测量***中被广泛使用。结构光方法的测量过程主要包括两个步骤：先由投影光源根据测量需要向物体表面投射可控制的激光以形成特征点，并取得表面图像。然后按物体表面投射光图案的几何形态特征解释投影模式，利用三角法测量原理可求得特征点与摄像机镜头主点之间的距离，即特征点的深度信息。再标定出光源和摄像机在世界坐标系中的空间方向、位置参数后，即可求得特征点在世界坐标系中的三维坐标。

相位测量法采用正弦调制过的光强图像投影在物体上，图像投射到物体上后随着物体高度的变化而发生变形，变形后的光图像形成了二维的条纹图，它包含了物体的三维信息。变形的光强表示形式为：I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]，根据多次的结果数据，应用正弦调制的自相关性解出(x，y)，然后计算得到h(x，y)，经过解包络得到实际物体的三维形状。自相关性能够排除高频燥声的干扰，所以相移法精度很高，但是解包络过程对于阶跃变化存在不确定解的情况。

综上所述，目前已有技术由于采用专有投影装置，三维扫描方式局限于单一技术，精度指标在个别方面存在着难以逾越的壁垒。双目法匹配问题很复杂，导致误差难以控制。结构光法的条纹距离不能无限小，精度受到限制。相位法由于计算过程中存在反正切变换，得到一组解，在物体表面连续性约束下能够找到唯一合适解，但这限制了待测物体表面相邻点深度的阶跃变化的范围，产品的适用性受到限制较大。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及装置，通过液晶投影仪投射不同波长的正弦调制过的光到物体表面，通过摄像机获得带有投影光信息的二维图像数据，再根据投影图像像素信息还原出物体的深度信息。

本发明提出的采用双波长结构光测量物体轮廓的方法，包括以下步骤：

(1)投影仪产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为： $\mathrm{Iou}{t}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ p₁为正弦调制的波长，m，n为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2});$

(2)将上述白光照射到待测物体上，上述光场被待测物体调制，照相机拍摄得到的图像上各像素点的亮度值为：I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]，其中x，y为上述拍摄得到的图像中各像素点的坐标，a(x，y)为图像上环境的背景光强，b(x，y)为被测物体表面的光学特征值，(x，y)为被测物体对照明光场调制后产生的相位差，δ_i为相移量，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行；

(3)使用自相关法计算上述图像上各像素点的相位差为：

Δ₁(x，y)＝(x_A，y)-(x_C，y)，其中x_C为上述图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制前的相位等效点的坐标，x_A为上述图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制后的相位等效点的坐标；

(4)以p₂为正弦调制的波长，重复步骤(1)(2)(3)，得到Δ₂(x，y)，

(5)对上述两次正弦调制的波长进行组合，得到组合波长为 $p=\frac{p_1{p}_2}{p_1-p_2},$ 则组合后上

述图像上各像素点的相位差为Δ(x，y)＝Δ₂(x，y)-Δ₁(x，y)；

(6)根据上述计算得到的组合后的相位差，计算各像素点的深度其中L为投影仪和照相机与参考平面之间的距离，d为投影

仪与照相机之间的距离，p为正弦调制的波长；

(7)根据设定的物体表面的连续性约束条件，对上述各像素点的深度z进行解包络，得到物体实际三维形状。

本发明提出的采用双波长结构光测量物体轮廓的装置，包括：

(1)投影仪，用于产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为： ${\mathrm{Iout}}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ p₁为正弦调制的波长，m、n为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ 与计算机相连接；

(2)照相机，用于拍摄在上述白光的照明光场中待测物体的图像，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行，投影仪和照相机与参考平面之间的距离为L，投影仪与照相机之间的距离为d，与计算机相连接；

(3)计算机，用于控制投影仪产生具有特定结构的白光，并接收照相机拍摄的图像后进行处理。

本发明提出的采用双波长结构光测量物体轮廓的方法及其装置，具有如下特点和优点：

1、本发明方法中对相位差的计算很容易滤除环境光等不利因素对测量结果的影响，因此算法稳定性好。

2、本发明方法对待测物体的表面阶跃情况的正确还原能力很强，因此可以测量表面形状更加复杂的物体。

3、使用本发明的方法和装置，可以清晰再现待测物体的三维形状，测量精度高于已有技术。

附图说明

图1是本发明方法的原理示意图。

图2是本发明方法中的光路示意图。

图3是本发明方法中解包络示意图。

图4是本发明装置的结构示意图。

图1～图4中，1是投影仪，2是照相机，3是待测物体，3a是待测物体表面上的观测点，4是参考平面，5是光路所在的等y面，6是观测点3a在参考平面4上经待测物体调制前的相位等效点，7是观测点3a到参考平面4的垂足，8是观测点3a在参考平面4上经待测物体调制后的相位等效点，9是计算机，10是投影仪到计算机的连接线，11是照相机到计算机的连接线。图2中的d是投影仪与照相机的出入瞳之间的距离，1是投影仪和照相机的出入瞳到参考平面的距离。图3中，A是待测物体表面形状，B是移相法求出的主值相差计算的表面形状，C是另一个表面有阶跃情况的物体，D是物体C经移相法得到的表面形状。

具体实施方式

本发明提出的采用双波长结构光测量物体轮廓的方法，首先投影仪产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为： ${\mathrm{Iout}}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ p₁为正弦调制的波长，m，n

为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2});$ 将白光照射到待测物体上，光

场被待测物体调制，照相机拍摄得到的图像上各像素点的亮度值为：

I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]，其中x，y为上述拍摄得到的图像中各像素点的坐标，a(x，y)为图像上环境的背景光强，b(x，y)为被测物体表面的光学特征值，(x，y)为被测物体对照明光场调制后产生的相位差，δ_i为相移量，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行；使用自相关法计算图像上各像素点的相位差Δ₁(x，y)＝(x_A，y)-(x_C，y)，其中x_C为图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制前的等效点的坐标，x_A为图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制后的等效点的坐标；以p₂为正弦调制的波长，重复上述过程，得到Δ₂(x，y)；对两次正弦调制的波长进行组合，得到组合波长为 $p=\frac{p_1{p}_2}{p_1-p_2},$ 则组合后图像上各像素点的相位差为Δ(x，y)＝Δ₂(x，y)-Δ₁(x，y)；根据计算得到的组合后的相位差，计算各像素点的深度

其中L为投影仪和照相

机与参考平面之间的距离，d为投影仪与照相机之间的距离，p为正弦调制的波长；根据设定的物体表面的连续性约束条件，对各像素点的深度z进行解包络，得到物体实际三维形状。

本发明提出的采用双波长结构光测量物体轮廓的装置，其结构如图4所示，包括：投影仪1，用于产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为： ${\mathrm{Iout}}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$

p为正弦调制的波长，m、n为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2});$

照相机2，用于拍摄在白光的照明光场中待测物体的图像，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行，投影仪和照相机与参考平面之间的距离为1，投影仪与照相机之间的距离为d；计算机3，用于控制投影仪产生具有特定结构的白光，并接收照相机拍摄的图像后进行处理。

本发明的一个实施例中，所用的投影仪的型号为：PB2245，由BenQ公司生产，所用的照相机的型号为：DH-HV系列彩色数字输出摄像机，由大恒公司生产，所用的计算机为P4兼容机。

以下详细介绍本发明方法的一个实施例。

首先，如图1所示，投影仪1投射正弦调制过亮度的白光。这个照明光场的亮度值如下式，是已知的，由计算机控制投影仪输出。 ${\mathrm{Iout}}_i(x,y,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{x}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ 从式中可以看出，光强值与y无关，y方向上等亮。p为波长，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}).$

照明光到达物体上后，光场被调制，经相机拍摄后的图像，亮度值如下式：

I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]

连续移相扫描，多次拍摄，每一帧相移2π/N，共采集N帧。用I₁，I₂，I₃......I_N表示对同一点的N帧亮度值，则根据自相关法可从N个相移观察图像中计算出：

应用自相关法能极大地消除I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]式中a(x，y)和b(x，y)对于测量的不利影响，提取出的相位差能有很高的精度。得到Δ(x，y)后，则可以求出观测点3a至参考平面4的距离也就是该点深度信息，如图2所示，对于物体表面的点3a来说，当参考平面没有放置物体的时候，则图像上的同一点为点6，则点6的相位为图像上该点经被测物体调制前的相位，而放置了物体以后，点3a的相位发生变化，产生了相移，点3a变化后的相位与参考面上点8的相位相同，故相位差有：

Δ(x，y)＝(x₈，y)-(x₆，y)，式中(x₆，y)、(x₈，y)分别为正弦调制的光场在点6、点8的相位，所以可得：

Δ(x，y)＝2π·|x₆₈|/p，式中p为正弦调制的波长，x₆₈为点6到点8的距离。由三角形相似关系可得出：

式中Z_3a7即为点3a到参考平面4的深度信息值。

在上面的求解过程中，相位差的解为解集合，如果取主值进行后面的计算，则结果需要相位去包裹，如图3所示，图中A为待测物体实际表面形状的一个截面，B为取主值后的相位差计算得到的表面形状，可以看出深度信息的解固定在一个范围内，这样就需要根据待测物体表面连续性质的约束条件等来恢复。但对于表面发生阶跃时，如果实际中相邻两点的深度差值超过取值范围的上限，如图3中C所示，那么解包络前计算的深度信息如D所示，则无法正确还原出如C的实际形状。为了尽可能避免这种情况的出现，一个可行的方法是扩大取值范围，使实际阶跃处于范围之内即可。但取值范围的大小和波长有关，p越大，取值范围越大，但p越大，照明光场越均匀，不利于误差控制，这也是单纯扩大波长造成的弊端。本发明提出双波长方法，使用两次波长相近的照明光场来得到两套移相法数据，进行一定的重组，增大取值范围的前提下并不影响光场的质量。

由Δ(x，y)＝2π·|x₆₈|/p

得到2π·|x₆₈|＝Δ(x，y)·p

双波长可得：2π·|x₆₈|＝Δ₁(x，y)·p₁

2π·|x₆₈|＝Δ₂(x，y)·p₂

两式综合有：

于是可以记作：Δ(x，y)＝Δ₂(x，y)-Δ₁(x，y)

$p=\frac{p_1{p}_2}{p_1-p_2}$

即2π·|x₆₈|＝Δ(x，y)·p

此时，如果p₁，p₂很接近，则组合的波长p就很大，使用组合的参数计算深度信息。则对于求解

深度的取值范围变大了，而照明光场仍然

是小波长正弦调制，不存在光场均匀的问题，很好的解决了相邻点的深度信息阶跃超过范围无法还原的问题。经过解包络后即可取得物体的实际三维形状数据。

Claims (2)

1、一种采用双波长结构光测量物体轮廓的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)投影仪产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为：

${\mathrm{Iout}}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ p₁为正弦调制的波长，m，n为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2});$

(2)将上述白光照射到待测物体上，上述光场被待测物体调制，照相机拍摄得到的图像上各像素点的亮度值为：I_i(x，y，δ_i)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δ_i]，其中x，y为上述拍摄得到的图像中各像素点的坐标，a(x，y)为图像上环境的背景光强，b(x，y)为被测物体表面的光学特征值，(x，y)为被测物体对照明光场调制后产生的相位差，δ_i为相移量，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行；

(3)使用自相关法计算上述图像上各像素点的相位差Δ₁(x，y)＝(x_A，y)-(x_C，y)，其中x_C为上述图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制前的等效点的坐标，x_A为上述图像上各像素点在参考平面上经被测物体调制后的等效点的坐标；

(4)以p₂为正弦调制的波长，重复步骤(1)(2)(3)，得到Δ₂(x，y)，

(5)对上述两次正弦调制的波长进行组合，得到组合波长为 $p=\frac{p_1{p}_2}{p_1-p_2},$ 则组合后上述图像上各像素点的相位差为Δ(x，y)＝Δ₂(x，y)-Δ₁(x，y)；

(6)根据上述计算得到的组合后的相位差，计算各像素点的深度

其中L为投影仪和照相机与参考平面之间的距离，d为投影仪与照相机之间的距离，p为正弦调制的波长；

(7)根据设定的物体表面的连续性约束条件，对上述各像素点的深度z进行解包络，得到物体实际三维形状。

2、一种采用双波长结构光测量物体轮廓的装置，其特征在于该装置包括：

(1)投影仪，用于产生一束经正弦调制后的白光，该白光的亮度值为：

${\mathrm{Iout}}_i(m,n,{\mathrm{\δ}}_i)=\cos [\frac{m}{p}\×2\mathrm{\π}+{\mathrm{\δ}}_i],$ p₁为正弦调制的波长，m、n为光场在参考平面上的坐标，δ_i为相移量， ${\mathrm{\δ}}_i\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ 与计算机相连接；

(2)照相机，用于拍摄在上述白光的照明光场中待测物体的图像，照相机与投影仪的连线与所述的参考平面平行，投影仪和照相机与参考平面之间的距离为L，投影仪与照相机之间的距离为d，与计算机相连接；

(3)计算机，用于控制投影仪产生具有特定结构的白光，并接收照相机拍摄的图像后进行处理。

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