CN101881605B

CN101881605B - 基于相位编码技术的光学三维测量方法

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Publication number: CN101881605B
Application number: CN201010190225XA
Authority: CN
Inventors: 崔海华; 戴宁; 程筱胜; 廖文和
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: CN101881605A

Abstract

一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，属三维测量技术领域。由以下步骤组成：(1)计算机生成光栅编码条纹图像；(2)用数字投影设备投射光栅编码条纹图像；(3)采集光栅条纹图像并利用相移算法进行编码求解和三维测量；其特征在于：步骤(1)中生成的所述光栅编码条纹图像的每个光栅周期内像素个数等于所采用的相移算法步数；且所述光栅编码条纹图像的每个光栅周期内像素灰度需满足正弦或余弦曲线分布，且像素灰度值为相应正弦或余弦函数的极值点。本方法相对传统正弦相移编码方法，对数字投影设备的伽玛非线性影响具有更强的抗干扰性，编码具有更高稳定性、可靠性和正确性，在物体表面光学三维轮廓精确测量方面有着重要作用。

Description

基于相位编码技术的光学三维测量方法

所属技术领域

一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，涉及计算机视觉测量领域，属于三维测量方法和仪器技术领域，尤其涉及光学三维测量系统的结构光编码技术。

背景技术

基于光学的非接触式三维物体形貌测量技术得到了长足的发展，该技术已经广泛应用于产品设计与制造、质量检测与控制、机器人视觉等领域。另外，随着数字投影技术的进步，基于数字投影设备的结构光三维测量技术得到快速的扩展，在整个光学三维测量技术领域中占据越来越重要的地位。该方法：首先利用计算机生成光栅编码条纹图像；再使用数字投影设备投射光栅编码条纹图像；最后采集光栅条纹图像并进行编码求解和三维测量。

基于正弦的相移算法具有较高的测量精度，使得该种方法在光学轮廓测量系统中得到广泛应用，一般正弦条纹光强函数用数学表达式可表示为：

其中I_i(x，y)为相机采集的第i幅光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强值，I′(x，y)为背景光强，I″(x，y)为条纹幅值，

为待测相位值，δ_i为第i次相移量。经过多步相移后待测相位

计算值为：

其中a_i和b_i取决于相移的次数，求解得

在主值[-π，+π]内，呈现出有2π锯齿反复跳动的包裹相位，经过相位展开算法求解得整张图像内相位的唯一编码。

设相机采集到的理想的正弦条纹灰度表示为

设经数字化投影设备投射出，相机实际采集到的条纹灰度表示为

由于一般的商用数字投影设备的投影引擎具有伽玛非线性特性，使得采集到的条纹灰度产生非正弦性误差，不能得到完全理想的正弦灰度分布，使用这种非理想的光栅灰度条纹进行计算时，会产生相位编码误差，进而导致三维测量精度大大降低，其中，相位编码误差以非正弦性波动的形式表现出来。

针对这种误差相继出现了多种解决方法，主要可以分为两类：

一类是主动式的方法(盖绍彦，达飞鹏.基于数字投影仪的光栅相位自校正方法，自动化学报，34(11)：1363-1368(2008).)，在计算出的相位中选取局部的误差区域，通过逆向补偿的方式计算出需要投射的条纹灰度，通过改变投射的条纹灰度，从而使采集的到的条纹灰度呈理想的正弦分布，但这类方法理论上可行，实际应用中由于每个像素具有不同的伽马非线性反射，使得该方法很难得到很好的结果。

第二类方法是被动补偿的方法(H.Guo，H.He，and M.Chen.Gamma correction fordigital fringe projection profilometry，Appl.Opt.43，2906-14(2004).)，这类方法认为相位编码误差具有相同的周期性，首先提取一个周期或几个周期内的相位误差，建立对应相位的误差补偿相位对照表，实现相位误差标定，然后对求解的相位编码根据误差对照表进行逆向补偿，实现相位的正确编码，这类方法的前提条件是相位编码误差具有周期相同性，通过对一个或多个周期内的相位误差进行统计，建立误差对照表进行对应补偿，然而，实现应用中这种完全相同的周期性现象基本上不存在，因此，通过这类方法并不能完全消除误差，补偿后残余的相位误差对于高精度的三维测量仍然是不能忽略的。因此，免疫于相位误差编码方法的研究是高精度三维测量首要解决的任务。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明提出了一种免疫于相移误差的，高精度的结构光编码方法。

一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，由以下步骤组成：(1)、计算机生成光栅编码条纹图像；(2)、使用数字投影设备投射光栅编码条纹图像；(3)、采集光栅条纹图像并利用相移算法进行编码求解和三维测量；其特征在于：(4)、所述的光栅编码条纹图像的每个光栅周期内像素个数等于所采用的相移算法步数；(5)、所述的光栅编码条纹图像的每个光栅周期内灰度值需满足正弦曲线分布，并且像素灰度值为正弦函数的极值点。

本发明的编码方法中，(1)每个光栅编码周期内像素个数与相移步数相等，屏蔽了相位误差产生的像素，增强了对相位误差的抗干扰能力。以四步相移算法为例，相位误差在一个光栅周期内呈现四个周期性的正弦波动，每个正弦波动占距光栅周期的四分之一，这些相位误差是由一个光栅周期的四分之一像素计算得到，为了将这些误差减少到最小，可以将一个光栅周期内四分之一的像素个数减少到1，则一个光栅周期内的四个正弦波动间距减少到零，波动误差呈一个点误差；(2)光栅周期内的像素点灰度为正弦函数的些极值点，使用这些点作为光栅内像素的灰度值进行相位计算，满足了反三角函数的收敛特性，大大减少了非线性灰度反映造成的相位求解误差。根据相位计算的公式(2)，相位的求解值是反正切函数的值域，根据三角函数的性质，反正切函数值在±π/2处急剧收敛，定义域的剧烈变化不会大幅度的影响值域的值，因此，相位计算时，采用正弦函数的极值点计算，使得值域的值相对稳定不受定义域剧烈变化的大幅度影响，这也正是相位误差正弦性波动的过零点产生的原因；(3)每个光栅编码周期内的灰度值数量少，而且具有较强的对比性，减少了相机采集的灰度误差.本发明的光栅编码条纹灰度值个数较少，以四步相移为例，仅有255，127.5和0三个灰度值，一个周期内灰度值对比明显，提高了相机采集图像灰度的准确性。

本发明方法根据相移算法中反三角函数的收敛特性，选取三角函数中的极值点值作为编码的灰度值，并将易产生相位误差的像素点进行压缩，从原理上将易产生相位误差的像素点屏蔽，提高了相位误差的抗干扰性，保证了相位计算的正确性和稳定性。相比于传统的相移编码方法具有更高的稳定性、可靠性，提高了编码精度。

附图说明

图1为以四步相移算法为例本发明的光栅编码条纹，灰度图表示。

图2为本发明的光栅编码条纹灰度值曲线图。

图3为相机采集到的本发明的光栅编码灰度图。

图4为使用相移编码计算的相位灰度图。

图5为传统的光栅编码条纹灰度曲线图。

图6为本发明与传统光栅编码误差对比图

具体实施方案

下面对本发明方法结合附图做进一步详细说明。本发明首次使用免疫于相移误差的光栅编码，对多幅编码图像使用传统的相移算法进行求解，既保证了相移算法的高精度，又实现相位误差的消除。

(1)、计算机生成光栅编码条纹图像：通过程序编制生成一系列编码条纹图像，编码图像幅数与使用的相移算法(三步相移算法、四步相移算法、五步相移

算法等)的步数n相等，n幅图像内相同像素坐标点的相位值相差

图像里每个光栅周期内的像素个数与相移步数n也要相等，并且一个周期内的条纹灰度值满足正弦曲线分布，以四步相移算法为例，用灰度图表示的光栅编码条纹可表示为：I_i(x，y)＝I′(x，y)+I″(x，y)cos[(x*2π)/4+i*π/2]，i＝0，1，...，3，其中I_i(x，y)为相机采集的第i幅光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值，I′(x，y)为背景光强，I″(x，y)为条纹幅值，

为待测相位值，δ_i＝i*π/2为第i次相移量，绘制出沿x方向的周期性的光栅条纹，取四幅图像中的一幅图像，图像中部分像素的灰度图像表示如图1所示，图像中共有三种灰度值，最黑和最白的灰度图分别是0和255，灰色的图像部分灰度是127.5，沿x方向将灰度值进行曲线表示如图2所示，编码值曲线呈三角形，一个周期内最高点，中间点和最低点在x方向间隔是一个像素，各值分别是图像的灰度值255，127.5和0。I_i(x，y)和δ_i为已知量，I′(x，y)，I″(x，y)和

三个为未知量，采集n编码图像，使用多n步相移算法(n＞＝3)即可实现相位

的求解。

(2)、数字投影设备投射。将本发明设计的编码条纹如图1，通过数字式投影设备进行投射出来，数字投影设备包括，LED投影机、DMD投影机、LCD投影机、LCOS投影机等。调整数字投影设备的分辨率，使投射的图像和分辨率匹配，调整焦距，使投射的图像清晰，另外，根据被测物体表面信息，尽量使投射出的编码条纹具有明显的对比性。

(3)、图像采集和相位解码。根据投射的编码条纹是灰度信息或彩色信息，使用对应的数字式摄像机进行图像采集，首先根据投射的分辨率选择对应匹配的摄像机，然后调整相机的焦距、光圈、曝光时间等参数，保证采集的编码图像清晰，对采集到的多幅编码图像根据公式(2)进行相位编码计算，以四步相移算法为例，对采集到的四幅图像分别为：

I_j(x，y)＝I′(x，y)+I″(x，y)cos[(x*2π)/4+j*π/2]，j＝0，1，...，3，

其中一幅图像显示如图3所示，使用四步相移算法(3)解相位，将相位进行[0255]归一化进行灰度显示如图4所示。

本发明相比于传统的相位编码方法具有以下优点：(1)每个光栅编码周期内像素个数与相移步数相等，屏蔽了相位误差产生的像素，增强了对相位误差的抗干扰能力；(2)光栅周期内的像素点灰度为正弦函数的些极值点，使用这些点作为光栅内像素的灰度值进行相位计算，满足了反三角函数的收敛特性，大大减少了非线性灰度反映造成的相位求解误差；(3)每个光栅编码周期内的灰度值数量少，而且具有较强的对比性，减少了相机采集的灰度误差。为了验证本发明方法的优越性，与传统的相移编码方法进行了对比实验，图5是传统的光栅编码的灰度曲线图，按以上步骤分别计算相位编码并和理想的相位进行比较，统计其相位误差对比图如图6所示，图中红色线为传统编码的相位误差，蓝色线为本发明的方法计算的相位误差，可以看出使用本发明的方法能得到很好的相位编码，传统的相位编码方法会有正弦性的误差波动，进而会导致三维测量的误差。对于相位编后的包裹相位使用相位展开算法可以实现周期性截断的移除，获得三维测量所用的绝对相位编码，这样就实现了物体表面三维轮廓测量的结构光编码。

Claims

1.一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，由以下步骤组成：

(1)、计算机生成光栅编码条纹图像；

(2)、使用数字投影设备投射光栅编码条纹图像；

(3)、采集光栅条纹图像并利用相移算法进行编码求解和三维测量；

其特征在于：

步骤(1)中生成的所述的光栅编码条纹图像的每个光栅周期内像素个数等于所采用的相移算法步数；且所述的光栅编码条纹图像的每个光栅周期内像素灰度需满足正弦或余弦曲线分布，并且像素灰度值为相应正弦或余弦函数的极值点。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，其特征在于：所述的光栅编码条纹图像为灰度图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位编码技术的光学三维测量方法，其特征在于：所述的光栅编码条纹图像为彩色图像。