CN101482398A - 一种快速三维形貌测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速三维形貌测量的方法及装置，它包括以下步骤：1)在计算机将投影线进行编码，结果输入各投影设备中；2)采集投影线图像3)在标定图像和测量图像中分割出投影线，并确定投影线的中线位置；4)使用模式识别的方法识别投影线的编码；5)将标定图像和测量图像进行对比，得到标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据；6)调整各投影设备采集的投影线图像相应点的高度差数据，将各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；多线投影编码方法为包含冗余码的空间伪随机序列编码；其约束条件为，相邻投影线相同编码只出现一次的唯一编码条件；冗余码为时间伪随机序列编码，用于校验步骤4)中所识别的空间伪随机序列编码的正确性。

Description

一种快速三维形貌测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机器视觉方法及装置，特别关于一种快速三维形貌测量的方法及装置。

背景技术

三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段，不仅在军事、工业等领域具有重要意义，而且在医药健康、艺术娱乐等民用领域具有广阔的应用前景。光学非接触三维形貌测量具有全场、快速、高分辨率和数据提取迅速等优点而被广泛应用。目前常用的光学非接触三维形貌测量方法包括激光三角投影法、莫尔投影法和结构光法等。其中结构光法通过加入编码并覆盖全场的模式投影，可以在较短的时间里测量数据，从而大大提高测量速度。这种方法的优点是信号处理简单，无须复杂的条纹分析就能确定各个测量点的绝对高度信息，甚至可以通过一次成像就获得全场的三维信息。

结构光法的关键是通过编码模式设计以及与之相应的解码算法设计，实现多点的识别和测量。按照分类，结构光法可以被分为时间邻域的编码方法、空间邻域的编码方法和直接编码方法。它们的缺点在于时间邻域的编码方法使用多个投影模式，只能测量静态物体；空间邻域的编码方法一般使用一个投影模式，但模式上某一个点需要依靠其本身的信息和空间邻近的点的信息进行编码，即具有匹配的二义性问题；直接编码法尽管直接使用点本身的信息进行编码，但对测量环境和设备要求很高，对噪声的忍耐度差，而且对物体表面也有很高的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有高空间分辨率和时间分辨率，可去除匹配中的二义性和提高对噪声的忍耐度的快速三维形貌测量的方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种快速三维形貌测量的方法，它包括以下步骤：1)在计算机中依据多线投影编码方法将一条以上的投影线进行编码，结果输入各投影设备中；2)采集投影线图像，首先依次记录所述各投影设备在标定时刻投影到参考平面的标定图像，其次依次记录所述各投影设备在测量时刻投影到被测物体表面的测量图像；3)在所述标定图像和测量图像中使用分割算法分割出投影线，并使用中线识别算法确定投影线的中线位置；4)使用模式识别的方法识别所述投影线的编码；5)将所述标定图像和测量图像进行对比，找到编码相同的投影线，进而使用三角测量原理，得到所述标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据；6)调整所述各投影设备采集的投影线图像相应点的高度差数据，将所述各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；

所述步骤1)中多线投影编码方法为添加冗余码的空间伪随机序列编码；其约束条件为，相邻投影线相同编码只出现一次的唯一编码条件；所述冗余码为时间伪随机序列编码，用于校验步骤4)中所识别的空间伪随机序列编码的正确性。

所述添加冗余码的空间伪随机序列编码的原理为：如果在所述空间伪随机序列编码的投影线中以一条随机的投影线起始的连续一组投影线，与所述时间伪随机序列编码中对应于所述随机的投影线所在列的投影线不匹配，则判断所述步骤4)中所述空间伪随机序列编码的投影线识别有错误，系统对误识的投影线进行修正；否则视为所述步骤4)中所述空间伪随机序列编码的投影线识别正确。

所述多线投影编码方法中的编码表示为不同颜色的编码，不同形状的编码，不同亮度的编码，或不同宽度的编码。

当所述编码为u种表示时，在测量时对于每一个所述投影设备，所述图像采集设备需要拍摄u-1张时间伪随机序列编码的投影线图片。

一种实现快速三维形貌测量的装置，其特征在于：它包括两个或两个以上投影设备、一个图像采集设备、一参考平面和一计算机；所述投影设备分别连接所述计算机，所述计算机中预置有投影线编码程序和图像识别程序，且控制各所述投影设备向一点投影经过编码的投影线；所述参考平面设置在所述图像采集设备的正前方；所述图像采集设备分别采集各所述投影设备的图像信息，并输入所述计算机中进行投影线的识别和调整，得出三维形貌测量结果。

所述装置周围设置遮光屏蔽物。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的装置由于可以完整地覆盖测量区域，因此具有较高的空间分辨率；本发明将单线投影方法扩展为多线投影方法来加速投影过程，在保证空间分辨率的前提下极大提高投影速度。2、本发明多线投影编码方法将空间伪随机序列编码和时间伪随机序列编码结合起来，为测量设备提供了高鲁棒性。相对于单线投影，本发明的多线投影编码方法解决了测量中的匹配二义性问题；相对于单纯空间域编码的结构光法，它解决了空间分辨率小的问题；相对于单纯时间域编码的结构光法，它解决了采集时间长，不能测量动态物体的问题。3、本发明的多线投影方法由于具有在数学上可被严格描述的编码方法和计算模型，因此可以让使用者根据具体测量需求自行调整设计，具有好的泛化性。本发明为静态物体和缓慢运动物体的表面形状测量提供了可靠的三维光学测量手段。

附图说明

图1是本发明的简化测量系统示意图

图2是本发明的空间伪随机序列编码示意图

图3是本发明的时间伪随机序列编码示意图

图4是本发明的实施例投影图

图5是本发明的实施例效果图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，单套本发明的装置包括两个或两个以上投影设备1、一个图像采集设备2、一个参考平面3和一计算机(图中未示出)。投影设备1可用普通投影仪如DLP、LCD，也可用专用的激光投影设备；图像采集设备2为用采集静态图像的照相机或采集动态图像的摄像机；参考平面3为设置在图像采集设备2对侧的一个白色平面。投影设备1分别从被测物体4侧面的不同方向向被测物体4进行投影，可消除由单侧投影产生的阴影情况。投影设备1与计算机相连，通过计算机内置的软件控制，可以将经过编码的多条投影线从投影设备1投出，投影线会覆盖被测物体4的表面，从而随着被测物体4表面轮廓发生形变。图像采集设备1采集到的图像信息输入到计算机中进行处理。本发明的装置周围需要一些遮光屏蔽物，以减少环境对投影效果的影响。图像采集设备2正对被测物体4，对被测物体4的表面进行图像采集，记录标定时刻投影在参考平面3上的标定图像，以及测量时刻投影在被测物体4表面的测量图像。

进行实际测量之前，需要对本发明的装置进行标定，图像采集设备2需要在标定过程中采集参考平面3的投影线标定图像。之后在实际测量过程中，图像采集设备2依次采集每个投影设备1投影到物体表面的一组投影线测量图像。经过计算机对投影线图像的解码过程，把标定图像和测量图像进行对比，找到编码相同的投影线，进而使用三角测量原理，得到标定图像和测量图像之间相应点的高度h。需要指出的是本发明的方法允许用户根据需求调整测量设备位置，不用局限于图1所示的方位来放置设备。本发明的方法中只需要在摆放设备后重新进行标定即可，并且也可同时使用更多套投影设备1以获取全息三维形状图像。

本发明的多线投影是使用多条平行等宽度的投影线进行投影，投影同样大的区域，使用n条投影线同时投影的速度是单线投影速度的n倍。由于投影时间有效缩短，因此可以满足缓慢运动物体和静态物体的三维形貌测量要求。为了在后期的图像处理中更方便对相邻投影线进行识别，本发明对结构光法中的编码方法进行改进，提出一种多线投影编码方法。

如图2所示，本发明为每条投影线提供了一个唯一的可识别编码，即空间伪随机序列编码。这种编码使用了数学上可严格描述的伪随机序列，并添加了相邻投影线编码不同的约束条件。伪随机序列编码的定义是：一个由长度为n的符号表中的字符组成的m阶德布鲁因(De Bruijn)序列是一个长度为nm的序列，它的任何一个长度为m的子序列只出现一次。正如定义所述，这种序列有着循环和窗口的特性，一般可以通过在一个顶点字串长度均为m+1的De Bruijn图上寻找一个哈密尔顿(Hamiltonian)回路的方法来产生m阶De Bruijn序列。本发明为了提高投影线识别的正确率，添加了相邻投影线编码不能相同的约束条件，以利于图像处理过程中编码的识别。本发明通过对生成伪随机序列编码的方法进行改动，即对De Bruijn序列进行改造，去除相邻投影线编码相同的节点后，再寻找一个Hamiltonian回路，就生成了所需要的空间伪随机序列，序列长度变成了n(n^-1)m^-1。这种相邻投影线相同编码只出现一次的唯一编码条件，可提供足够的信息来解决多投影线无法区分的问题。上述的投影线编码可以表示为不同颜色的编码，不同形状的编码，不同亮度的编码，不同宽度的编码等，根据实际需要进行调整。

如图3所示，以红、绿、蓝、青4种颜色投影线编码为例，第1行为第一张照片中的某个连续的投影线片段，第2、3、4、5行分别为第二、三、四、五张照片中与第1行相对应的连续的投影线片段。第1行为经过空间伪随机序列编码的4色投影线，第2行为第1行投影线移动一个投影线宽度后得到的4色投影线，对第一、二张照片的处理可以使得三维形貌测量的分辨率达到投影设备1的最大分辨率。为了简化后期的多线投影图像处理程序，提高整个系统对噪声和测量环境的忍耐度，本发明还添加了冗余的时间伪随机序列编码，因此提供了更为严格的唯一编码条件。第3、4、5行为经过时间伪随机序列编码的4色投影线，宽度是第1行投影线的2倍。添加冗余码的空间伪随机序列编码的原理为：如果在第1、2行的空间伪随机序列投影线中以一条随机的投影线起始的连续3条投影线，与第3、4、5行的时间伪随机序列编码中对应于随机的投影线所在列的投影线不匹配，则判断在投影线识别步骤中这组投影线的识别有错误，系统将误识的投影线找出来进行修正，否则视为这组投影线的识别正确。综上所述，如果投影线编码为u种不同颜色表示时，将第1行投影线连续的u条为一组，那么就需要u-1行时间伪随机序列进行校验，因此在测量过程中对于每一个投影设备1，图像采集设备总共需要拍摄一组共u+1张投影线图片，其中2张照片为空间伪随机序列，u-1张照片为时间伪随机序列。根据对系统识别准确度的要求不同，可以考虑使用或不使用冗余的时间伪随机序列编码。上述的编码方案可以根据实际需要进行调整，投影模式的数量可通过调整空间和时间编码的个数而改变。

本发明的实施例中，投影设备1的数目为两个，分别对称的设置在被测物体4的左、右两侧；投影线的数目为128条，分为4种不同的颜色。下面对多线投影图像处理方法进行描述，它包括以下步骤：

1)在计算机中依据多线投影编码方法将一条以上的投影线进行编码，结果输入各投影设备中。

2)采集投影线图像。投影设备1投影被测物体4的表面，图像采集设备2对被测物体4的表面进行图像采集。如图1所示，首先，记录一侧投影设备2标定时刻投影在参考平面3上的一组5张标定图像，再记录另一侧投影设备2标定时刻投影在参考平面3上的一组5张标定图像。其次，记录一侧投影设备2测量时刻投影在被测物体4表面上的一组5张测量图像，再记录另一侧投影设备2测量时刻投影在被测物体4表面上的一组5张测量图像。

3)在标定图像和测量图像中分割出投影线，并确定投影线的中线位置。首先，提取图像采集设备2采集的每张投影线图像的亮度信息，并使用边界算子对图像亮度信息进行二次卷积得到二值化图像。其次，对二值化图像使用灰度重心法求得亚像素精度的中线位置。本步骤中可使用现有的各种分割算法和中线识别算法，分割算法如区域生长法、分水岭法、主动轮廓法和level-set法等；中线识别算法如二阶倒数法、距离场法等。

4)使用模式识别的方法识别投影线编码。本实施例中投影线进行4色编码时，每条投影线的编码通过其携带的颜色信息来进行识别。首先，提取图像采集设备2采集的投影线图像的色调信息。其次，阈值化中线附近的小区域的色调平均值来进行投影线的颜色识别。本步骤中投影线颜色的识别也可使用模式识别中的其他更为复杂的识别算法实现。如使用不同形状的编码，不同亮度的编码，不同宽度的编码等其他编码方法，使用相应的模式识别算法实现。

5)计算被测物体表面形貌数据。将标定图像和测量图像进行对比，找到编码相同的投影线，进而使用三角测量原理，得到标定图像和测量图像之间相应点的高度差h。

6)当分别计算出左、右两侧投影线图像的高度差h数据后，由于系统误差的原因，我们可以通过计算出左、右两侧投影线图像在相同位置高度差h数据的差异比例值。之后按比例折中调整左、右两侧的高度差h数据，最后将两侧高度差h数据合并到最终的三维形貌数据中，进而得出被测物体4三维形貌测量结果。

如图4、图5所示，本实施例的测量结果表明，在图像采集设备2距离被测物体4约1.5米的情况下，系统测量精度可达到0.7mm以上。由此可知，本发明的快速三维形貌测量方法的测量精度在同类方法中均达到领先水平，同时本发明的系统测量精度和灵敏度可通过提高投影设备1和图像采集设备2的质量来进行提高。本发明的方法和装置不仅在军事、工业等领域具有重要意义，而且在医药健康、艺术娱乐等民用领域具广泛应用。

Claims (7)

1、一种快速三维形貌测量的方法，它包括以下步骤：

1)在计算机中依据多线投影编码方法将一条以上的投影线进行编码，结果输入各投影设备中；

2)采集投影线图像，首先依次记录所述各投影设备在标定时刻投影到参考平面的标定图像，其次依次记录所述各投影设备在测量时刻投影到被测物体表面的测量图像；

3)在所述标定图像和测量图像中使用分割算法分割出投影线，并使用中线识别算法确定投影线的中线位置；

4)使用模式识别的方法识别所述投影线的编码；

5)将所述标定图像和测量图像进行对比，找到编码相同的投影线，进而使用三角测量原理，得到所述标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据；

6)调整所述各投影设备采集的投影线图像相应点的高度差数据，将所述各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；

所述步骤1)中多线投影编码方法为添加冗余码的空间伪随机序列编码；其约束条件为，相邻投影线相同编码只出现一次的唯一编码条件；所述冗余码为时间伪随机序列编码，用于校验步骤4)中所识别的空间伪随机序列编码的正确性。

2、如权利要求1所述的一种快速三维形貌测量的方法，其特征在于：所述添加冗余码的空间伪随机序列编码的原理为：如果在所述空间伪随机序列编码的投影线中以一条随机的投影线起始的连续一组投影线，与所述时间伪随机序列编码中对应于所述随机的投影线所在列的投影线不匹配，则判断所述步骤4)中所述空间伪随机序列编码的投影线识别有错误，系统对误识的投影线进行修正；否则视为所述步骤4)中所述空间伪随机序列编码的投影线识别正确。

3、如权利要求1所述的一种快速三维形貌测量的方法，其特征在于：所述多线投影编码方法中的编码表示为不同颜色的编码，不同形状的编码，不同亮度的编码，或不同宽度的编码。

4、如权利要求2所述的一种快速三维形貌测量的方法，其特征在于：所述多线投影编码方法中的编码表示为不同颜色的编码，不同形状的编码，不同亮度的编码，或不同宽度的编码。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种快速三维形貌测量的方法，其特征在于：当所述编码为u种表示时，在测量时对于每一个所述投影设备，所述图像采集设备需要拍摄u-1张时间伪随机序列编码的投影线图片。

6、一种实现如权利要求1～5所述的快速三维形貌测量的装置，其特征在于：它包括两个或两个以上投影设备、一个图像采集设备、一参考平面和一计算机；所述投影设备分别连接所述计算机，所述计算机中预置有投影线编码程序和图像识别程序，且控制各所述投影设备向一点投影经过编码的投影线；所述参考平面设置在所述图像采集设备的正前方；所述图像采集设备分别采集各所述投影设备的图像信息，并输入所述计算机中进行投影线的识别和调整，得出三维形貌测量结果。

7、如权利要求6所述的一种快速三维形貌测量的装置，其特征在于：所述装置周围设置遮光屏蔽物。

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