CN101608906B - 一种时间编码的光学三维轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

一种空间编码的光学三维轮廓测量方法，属于光电测量领域，采用颜色信息条纹对二进制编码条纹进行细分的思想，代替原来二进制编码中的一个条纹。颜色信息易于识别，解决了条纹间距与条纹识别的矛盾。再通过条纹移位多次测量的方式，测取上一步中彩色条纹间隔中的空间点，这样相当于进一步细化了测量间隔，同时移位测量的方式也避免了因投影光刀太密，而产生的条纹识别困难问题。最后，整合几次测量结果，得到物体三维轮廓信息。通过本方法，能够有效解决结构光三维轮廓测量中条纹编码与速度、条纹间距与识别的矛盾，保证在结构光编码测量中提高测量精度的同时避免降低测量速度，或在保证一定精度的条件下可提高测量速度。

Description

一种时间编码的光学三维轮廓测量方法

技术领域

本发明属于光电测量领域，特别涉及一种时间编码的光学三维轮廓测量方法。

背景技术

光学三维轮廓测量技术一直是三维传感与计量领域研究的热点，广泛应用于制造业、计算机辅助医学、虚拟现实、文化遗产保护等方面。由于其具有非接触、非破坏、速度快、精度高等特点，使其成为最为理想的轮廓形貌测量手段。

结构光编码三维轮廓测量方法，根据投射到物体上的光场以及投影系统、采集系统与被测物基准的几何关系解调出被测物场的三维信息。对投影出的每条光刀需要进行编码，以相互区别。编码可分为空间编码和时间编码，空间编码法只需一次投射就可获得被测物体的深度图像，适合于动态测量，但目前分辨力还不能满足要求，编码图案易受景物表面特性不同而产生的噪声点影响，发生译码错误。时间编码常用二进制编码将多次不同的投射图案编码序列组合起来进行解码，解码错误率低，但其方法要求投射空间位置保持不变，并进行多次投射，因此测量速度受到影响。在多光刀编码方法中，普遍存在着光刀条纹间距和光刀图案识别这一对矛盾对立统一体，条纹间距越小，理论上分辨率越高，但是使得光刀图案识别变得越来越困难，理论上的分辨率无法体现，从而大大限制了测量精度。

另外，编码速度是限制测量速度的一个重要方面。时间编码将预制好的投影图案按一定顺序要求依次投影到被测物体表面，投影次数越多，编码过程就越长，测量速度就相对变低。因此，选取一种合适的方法，在同等投影条纹密度下，减少投影次数，提高编码速度，对提高测量效率将起重要作用。

因此，十分必要研究能够协调或解决上述问题的三维轮廓测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决光刀间距与光刀识别问题，并提高编码速度的时间编码的光学三维轮廓测量方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：采用多色条纹构成组合条纹，来代替传统的黑白条纹，完成对条纹的编码，对轮廓进行测量，接着对条纹移位，重复测量过程，对测量数据进行整合，得到被测对象的三维轮廓数据。

其具体步骤如下：1)采用多色条纹构成多色彩条纹组，代替传统二进制时间编码中的每一根白条纹，设每个条纹的间隔为M；

2)对多色彩条纹组按二进制时间编码要求的投影次序进行投影，投影时以组为单位，即彩条纹组代替传统投影时的各白条纹；

3)将多组彩色条纹用高分辨率数字投影仪，按投影次序依次投射至被测物体表面，通过高分辨彩色CCD依次记录下物体表面的变形条纹，即为一次完整投影；

4)调整投影仪使投影条纹依次偏移一个小于M的距离，重复过程3)得到多组完整投影；

5)对每次完整投影采集得到的变形条纹进行图像处理后提取光刀中心，利用时间编码三维轮廓测量方法解算重构每次得到的物体轮廓信息；

6)将所有每次得到的轮廓信息整合，最终得到物体完整三维轮廓信息。

本发明投影条纹依次偏移的距离依据测量精度的需要进行选择，需要偏移一次，距离取M/2，需要偏移两次，距离取M/3，以此类推。

由于本发明引入色彩信息，结合条纹移位测量方式，解决了编码时投影场次过多以及光刀过密时的识别问题，有效解决结构光编码三维轮廓测量中速度和精度的矛盾，从而提高了三维轮廓测量精度及效率。

附图说明

图1是本发明的测量装置原理图；

图2是以8组彩色组合条纹的投影条纹图为例，事先预制的投影条纹，四色为一组，彩色条纹间距设为M；

图3是以格雷编码方法为例说明彩色预制条纹的编码投影过程，即按照编码要求以组为单位对被测物体表面按一定次序进行投影，并依次采集每次物体表面的变形条纹；

图4是经编码投影后，原始预制条纹组对应的编码信息；

图5是以移位3次为例，总共计算得到的四幅轮廓信息图，其中图5a是原始投影测量计算结果，图5b是第一次移位投影测量计算结果，图5c是第二次移位投影测量计算结果，图5d是第三次移位投影测量计算结果，图5e是整合结果最终得到物体完整三维轮廓信息图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，为时间编码三维轮廓测量原理图，首先按照设计选取合适的投影系统、CCD、采集卡和计算机构建测量系统，并进行标定，以确定时间编码轮廓求解方程组。

本发明的测量过程如下：1)参见图2，以8组彩色组合条纹为例，每四色条纹为一组(白、红、绿、蓝四个)，设彩条纹间距为M，预制彩色投影条纹如图2；

2)参见图3，以单个彩色组合条纹代替传统投影中的黑白条纹，对彩条纹组进行编码投影，即按照一定投影次序以组为单位进行依次投影并采集物体表面变形条纹，以格雷编码方法为例投影过程如图3；

3)8个组经编码投影，每个组获得编码值，如图4说明，组内因颜色信息自动形成编码，此为一次完整投影；

4)依据测量需要让投影条纹依次偏移一个小于M的距离，偏移距离依据测量精度需要(例如：偏移距离为M/2时偏移一次，若为M/3则偏移两次，以此类推)，重复过程3)；本实施例采用M/4偏移三次进行说明；

5)对每次完整投影采集得到的变形条纹进行图像处理(采用去噪处理)后提取光刀中心，利用时间编码三维轮廓测量方法解算程序重构每次得到的物体轮廓信息，过程示意见图5a、图5b、图5c和图5d；

6)将所有每次得到的轮廓信息整合，即每次计算出的轮廓线整合在一起，最终得到物体完整三维轮廓信息参见图5e。

本发明采取颜色细分思想，将色彩条纹(例如白、红、绿、蓝四色条纹)当作一组，看作是原来二进制编码中的一个条纹，通过色彩信息来辅助二进制编码识别光刀。

二进制编码的原理是将不同的光栅编码图案先在计算机的控制下由投影仪依次投影到被测物体上，然后由CCD摄像机按顺序拍摄条纹图像。对所得的条纹图像进行黑白二值化处理，将图像中白色条纹区域的像素标记为“1”，黑色条纹区域的像素标记为“0”。这样每经过一次投影，图像中每一个像素就获得一个二进制数“0”或“1”。待投影图案全部投影完后将像素所获得的二进制数按顺序组合起来。具有相同编码的像素就构成一个光刀，每个光刀具有唯一的编码。投影条纹数目越多，序列图数目就越多，采样点越密集，光刀中心提取越困难，造成的误差也会越大。

本方法在保留其优点的前提下，弥补其不足。即采取颜色细分思想，例如将白、红、绿、蓝四个条纹当作一组，看作是原来二进制编码中的一个条纹，这样对彩色条纹组按照二进制的编码方式进行编码后，每个彩条纹组就是唯一的，由于其颜色信息是唯一的，因而各个组条纹中的彩色条纹结合二进制编码就自动形成对应的编码。这样做的明显好处就是在不增加投影图次数的基础上将投影的光刀数提高4倍(若选用颜色信息增多，可提高的倍数越多)，颜色信息比灰度信息易区分，从而提高光刀中心提取精度。另一个优点，引入色彩信息可以减少投影次数，提高编码速度。彩色投影还带来一个灵活性，即可根据被测对象表面情况选择合适的颜色(可避免和物体颜色接近而不易区分等)进行投影。

为进一步克服投影光刀太密，造成条纹图案识别困难，需保持适度光刀投影间距；但投影间距过宽又造成精度达不到要求，因此再采用条纹移位方式解决上述矛盾。即在上述投影条纹的基础上使条纹发生移位(移位距离在一个条纹周期内)，重复上面的编码及其测量过程。偏移步长在一个条纹周期按需要进行均分。这样弥补了光刀间的测点，保证了测量精度，也避免了因投影光刀太密，造成条纹图案识别困难的问题。

本方法在保证编码准确的同时又成数倍的提高了测量效率；由于色彩信息是在组合条纹中，发生译码错误的可能性大大减少；采用条纹移位测量的方式又进一步提高了测量精度。

Claims (2)

1.一种时间编码的光学三维轮廓测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用多色条纹构成多色彩条纹组，代替传统二进制时间编码中的每一根白条纹，设每个条纹的间隔为M；

2)对多色彩条纹组按二进制时间编码要求的投影次序进行投影，投影时以组为单位，即彩条纹组代替传统投影时的各白条纹；

3)将多组彩色条纹用高分辨率数字投影仪，按投影次序依次投射至被测物体表面，通过高分辨彩色CCD依次记录下物体表面的变形条纹，即为一次完整投影；

4)调整投影仪使投影条纹依次偏移一个小于M的距离，重复过程3)得到多组完整投影；

5)对每次完整投影采集得到的变形条纹进行图像处理后提取光刀中心，利用时间编码三维轮廓测量方法解算重构每次得到的物体轮廓信息；

6)将所有每次得到的轮廓信息整合，最终得到物体完整三维轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的时间编码的光学三维轮廓测量方法，其特征在于：所说的投影条纹依次偏移的距离依据测量精度的需要进行选择，需要偏移一次，距离取M/2，需要偏移两次，距离取M/3，以此类推。

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