CN103322937A - 一种结构光法测量物体深度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种结构光法测量物体深度的方法及装置，涉及光学测量技术领域，提高了测量的精度，且实现了近距离的使用。该方法包括：光源通过结构光掩膜向被测物体投射结构光；采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像，根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；在规定范围内移动所述结构光掩膜，再次向所述被测物体投射结构光；采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像，根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；重复获取所述第二深度值，并对所述重复获取的第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。本发明实施例用于结构光法测量物体深度。

Description

一种结构光法测量物体深度的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种结构光法测量物体深度的方法及装置。

背景技术

传统的对物体形状的测量方法为二维测量方法，该二维测量方法丢失了对物体形状深度信息的测量，但随着科学技术和工业生产的迅速发展，许多领域都需要对三维物体的形状进行快速准确的测量。

结构光法是一种计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的三维测量方法，常用来对三维物体的形状进行快速准确的测量。

结构光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。结构光法计算简单、测量精度比较高，在实际视觉测量系统中被广泛使用。结构光法的测量主要包括两个步骤：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已形成特征点，并提取表面图像。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，在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。

但在使用结构光法测量物体深度信息的过程中，发明人发现现有技术中结构光法测量物体深度时，其测量精度受点阵或条纹的散列程度及点阵或条纹编码的大小影响，且条纹距离不能无限小。

发明内容

本发明的实施例提供了一种结构光法测量物体深度的方法及装置，提高了测量的精度，且实现了近距离的使用。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，提供了一种结构光法测量物体深度的方法，所述方法包括：

光源通过结构光掩膜向被测物体投射结构光；

采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像，根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；

在规定范围内移动所述结构光掩膜，再次向所述被测物体投射结构光；

采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像，根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；

重复获取所述第二深度值，并对所述重复获取的第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

一方面，提供了一种结构光法测量物体深度的装置，所述装置包括：

包括结构光掩膜；

与所述结构光掩膜连接的驱动部件；

光源，用于通过所述结构光掩膜向被测物体投射结构光；

采集单元，用于采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像；采集所述结构光掩膜移动后被测物体反射所述结构光的第二投射图像；

计算单元，用于根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；对所述重复获取的第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的方法及装置，通过在获取到第一投射图像的第一深度值后，移动结构光掩膜来实现多次测量得到多个第二投射图像的第二深度值，将得到的多个第二深度值与第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值，来提高了测量的精度，且实现了近距离的使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的另一装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的方法，如图1所示，该方法包括：

S101、光源通过结构光掩膜向被测物体投射结构光。

具体的，该光源可以为一投影机的光源、也可以为激光光源、还可以为其它光源，本发明对此不作限制。

结构光掩膜是结构光法测量物体深度的过程中使用的掩膜，光源通过该掩膜可以实现对物体深度的测量。

其中，该结构光掩膜包含至少二个狭缝，还可以包含更多的，如包含八个狭缝、或者四个狭缝，本发明对次不做限制，通过在结构光掩膜上设置不同的狭缝，来使光源分散成多束投射光，并用分散成的多束投射光对被测物体进行投射。

S102、采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像，根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值。

需要说明的是，该采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像的采集执行主体可以为一摄像头，也可以为其它采集执行主体，本发明对次不做限制。

其中，第一投射图像为摄像头接收到被测物体反射的所述结构光后，采集的反射光所对应的投射图像。

所述第一位置点为对采集到的第一投射图像进行处理后，得到第一深度值的对应位置点。

S103、在规定范围内移动所述结构光掩膜，再次向所述被测物体投射结构光。

进一步地，在规定范围内以预设时间间隔、预设角度顺时针或逆时针转动所述结构光掩膜。

具体的，在规定范围内移动结构光掩膜，其规定范围可以小到其测量时的测量精度，也可以为其它规定的移动范围，只要该范围不会产生过大的测量误差，都可以作为移动的范围，本发明对次不做限制。

需要说明是，其移动结构光掩膜时，可以按照预先设定的时间间隔进行移动，也可以非周期的触发结构光掩膜进行移动，只要能实现摄像头采集到的第二投射图像的第二位置点的第二深度值为多个不同的值就行，本发明对次也不作限制。

进一步地，通过电机驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动。

具体的，通过在结构光掩膜处增加一个电机，并设定某一程序来控制电机，其中，可以设置控制程序为控制电机按照预设时间间隔、预设角度顺时针或逆时针转动，也可以设置电机在具体的某一时间对结构光掩膜进行移动。

进一步地，该电机驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动时，可以以一定频率驱动结构光掩膜进行移动，其中，电机驱动结构光掩膜移动的频率与采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像时的采集频率相同，即结构光掩膜移动的频率与采集第二投射图像同步进行，这样可以防止结构光掩膜已经转回原点时，采集到与转动前相同的第二投射图像，避免了重复性操作。

示例性的，电机驱动结构光掩膜按照简谐运动的方式进行移动。

简谐振动，是振动的一种形式。一个作直线振动的质点，如果取其平衡位置为原点，取其运动轨道沿`x`轴，那么当质点离开平衡位置的位移`x`随时间`t`变化的规律，遵从余弦函数或正弦函数时：

这一直线振动便是简谐振动。式中`A`表示质点离开平衡位置时`(x＝0)`的最大位移绝对值，称“振辐”，`T`是简谐振动的周期，

角称为简谐振动的周相角或位相。

当电机驱动结构光掩膜按照简谐运动的方式进行移动时，假定采集第一投射图像时，所述结构光掩膜处在简谐振动的平衡点，即此时，可以看作正余弦函数的(-Kπ，+Kπ)处，此时，电机驱动结构光掩膜按照简谐规律振动时，可以将其采集第二投射图像时的采集频率设置为半波长的基数倍来进行采集，也就是说将采集第二投射图像的频率设置为Kπ/2，其中，K的值为奇数不为偶数。如K的取值为1、3、5等数值。

可选的，当电机驱动结构光掩膜按照简谐振动移动时，当简谐运动处在一个波长的整数倍时，对其不进行测量，即就是在简谐振动的非平衡位置进行测量。

此外，可以设置结构光掩膜的移动频率与采集第二图像时的采集频率相同，这样可以减少重复采集第二投射图像。

可选的，当电机驱动结构光掩膜按照正余弦规律移动时，其测量规律遵循简谐振动时的规律，本实施例在此不再赘述。

进一步地，通过电机驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动。

示例性的，可以通过电机驱动结构光掩膜以结构光掩膜的中心点为旋转中心点，按照顺时针规律以一定的角度进行旋转或按照逆时针规律以一定的角度进行旋转，此时，设置采集的时间间隔为其旋转过每一规定角度的时常，即就是，保持采集过程中的频率与旋转过程中的频率相同。

本发明实施例还可以采用其它运动形式来对结构光掩模在预定范围内进行移动，本发明对此不作限制。

进一步地，通过超声波驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动。

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等，超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。而针对于本发明来说，是利用超声波的较集中的声能来使结构光掩膜发生细微移动的作用。

具体的，通过在一段时间内对结构光掩膜同一处照射超声波，来实现结构光掩膜的移动。

需要说明的是，超声波驱动结构光掩膜在上述规定范围内移动时，可以驱动结构光掩膜按照正余弦规律在规定范围内进行移动，也可以按照简谐振动的规律在规定范围内进行移动，其测量原理与上述电机驱动时的原理相同，本实施例再次不作赘述。

进一步地，通过磁性材料驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动。

具体的，在结构光掩膜两侧利用磁性材料来实现结构光掩膜在规定范围内移动。

需要说明的是，磁性材料驱动结构光掩膜在上述规定范围内移动时，可以驱动结构光掩膜按照正余弦规律在规定范围内进行移动，也可以按照简谐振动的规律在规定范围内进行移动，其测量原理与上述电机驱动时的原理相同，本实施例再次不作赘述。

此外，本发明实施例中在规定的范围内移动结构光掩膜，还可以使用其它方式来实现，本发明实施优选的提出了移动结构光掩膜的方法，其还可以采用其它的方法来实现结构光掩膜在规定范围内进行的移动，本发明对次不做限制。

S104、采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像，根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值。

需要说明的是，该采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像的采集执行主体可以为一摄像头，也可以为其它采集执行主体，本发明对次不做限制。

此外，该步骤是在执行完步骤S103后实施的，即该摄像头采集的第二投射图像是在结构光掩膜发生移动后，采集的被测物体反射该结构光时的图像；将第二投射图像进行计算得到第二投射图像的第二位置点的第二深度值。

S105、重复获取所述第二深度值，并对各个第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

可选的，重复至少一次步骤S103、步骤S104后，得到至少一个第二位置点对应的第二深度值；对各个第二深度值和所述第一深度值进行平均值处理，得到结果深度值。

优选的，重复至少一次步骤S103、步骤S104后，得到至少一个第二位置点分别对应的第二深度值；分别将各个第二深度值与所述第一深度值进行平均值处理，对应得到各个所述第二位置点与所述第一位置点中间点的结果深度值。

进一步地，可以将所述第二深度值与所述第一深度值进行平均值处理，得到所述第二位置点与所述第一位置点中间点的深度值；然后，重复进行步骤S103、步骤S104和将所述第二深度值与所述第一深度值进行平均值处理的步骤，得到各个所述第二位置点与所述第一位置点中间点的深度值。

进一步地，还可以将获取到的多个第二投射图像的第二位置点进行平均值计算得到每两个第二位置点间的中间点深度值。

需要说明的是，该预定计算规则不仅可以采用平均值算法，还可以采用其它，只要可以求出更多的深度点，都可以用于本发明实施方法中，本发明对此不作限制。

本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的方法，通过在获取到第一投射图像的第一深度值后，移动结构光掩膜来实现多次测量得到多个第二投射图像的第二深度值，将得到的多个第二深度值与第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值，来提高了测量的精度，且实现了近距离的使用。

本发明实施例提供的一种结构光法测量物体深度的装置20，对应上述方法实施例，该结构光法测量物体深度的装置20的各个功能单元均可以用于上述方法步骤。如图2所示，包括：

结构光掩膜21。

该结构光掩膜21位于光源23的前方，用来对光源23进行遮挡或通过在结构光掩膜21中刻出不同数目的狭缝，从而将光源23散列成多个投射光。

与所述结构光掩膜连接的驱动部件22。

进一步地，该驱动部件22包括：电机、磁性材料或超声驱动装置。

该驱动部件22可以与结构光掩膜21相连，也可以不予结构光掩膜21相连，若该驱动部件22与结构光掩膜21相连，则可以使用电机来驱动结构光掩膜21进行移动；若该驱动部件22与结构光掩膜21不相连，则可以使用超声驱动装置或磁性材料驱动装置来驱动结构光掩膜21进行移动。

光源23，用于通过所述结构光掩膜21向被测物体投射结构光。

需要说明的是，所述光源23可以为一投影机的光源、也可以为激光光源、还可以为其它光源，本发明对此不作限制。

采集单元24，用于采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像；采集所述结构光掩膜21移动后被测物体反射所述结构光的第二投射图像。

其中，采集时可以利用摄像机、或者摄像图，或其它采集器件，本发明对此不作限制。

需要说明的是，该驱动部件驱动结构光掩膜在规定范围内进行移动，与采集单元采集被测物体的投射图像同步进行，这样，可以避免采集过程中出现对同一投射图像的重复采集，减少了不必要的操作。

计算单元25，用于根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；对各个第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

在实际的结构光测量装置30中，可以如图3所示，将上述实施例中的结构光掩膜21、光源23、驱动部件22的功能用投影装置31来实现。此外，将采集单元24用摄像机32来实现。

需要说明的是，在测量过程中该投影装置31与摄像机32在同一水平方向上，且该被测物体33与投影装置31、摄像机32不在同一平面中，成一定的夹角。

本发明实施例提供的结构光法测量物体深度的装置，通过在获取到第一投射图像的第一深度值后，移动结构光掩膜来实现多次测量得到多个第二投射图像的第二深度值，将得到的多个第二深度值与第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值，来提高了测量的精度，且实现了近距离的使用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种结构光法测量物体深度的方法，其特征在于，包括：

光源通过结构光掩膜向被测物体投射结构光；

采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像，根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；

在规定范围内移动所述结构光掩膜，再次向所述被测物体投射结构光；

采集被测物体反射所述结构光的第二投射图像，根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；

重复获取所述第二深度值，并对所述重复获取的第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述在规定范围内移动所述结构光掩膜包括：

在规定范围内以预设时间间隔、预设角度顺时针或逆时针转动所述结构光掩膜。

3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，

通过电机驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动；

或者，通过超声波驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动；

或者，通过磁性材料驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述通过电机驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动包括：

通过电机以一定频率驱动结构光掩膜在所述规定范围内移动；其中，电机驱动结构光掩膜的频率与采集被测物体反射所述结构光的第二图像时的采集频率相同。

5.一种结构光法测量物体深度的装置，其特征在于，包括：

包括结构光掩膜；

与所述结构光掩膜连接的驱动部件；

光源，用于通过所述结构光掩膜向被测物体投射结构光；

采集单元，用于采集被测物体反射所述结构光的第一投射图像；采集所述结构光掩膜移动后被测物体反射所述结构光的第二投射图像；

计算单元，用于根据所述第一投射图像得到第一位置点的第一深度值；根据所述第二投射图像得到第二位置点的第二深度值；对所述重复获取的第二深度值和所述第一深度值按照预定规则进行计算，得到结果深度值。

6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述驱动部件包括：电机、磁性材料或超声驱动装置。

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