CN103983208A

CN103983208A - 彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法

Info

Publication number: CN103983208A
Application number: CN201410193341.5A
Authority: CN
Inventors: 伏燕军; 王志刚; 江光裕; 张海林
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2014-08-13

Abstract

本发明公开了彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，由彩色二进制条纹编码原理、离焦投影系统、三维测量原理三大关键部分组成。本发明的优点是：（1）与传统彩色正弦条纹投影方法相比：传统方法投影仪投影的彩色正弦条纹灰度分布为0-255，投影速度限制在120帧/秒以内，制约了测量速度；本方法投影彩色二进制条纹，由于只有0和255两个灰度级，投影仪的投影速度有很大的提高，极大地提高三维测量速度；（2）采用了三步相移方法，只需要一幅彩色二进制条纹就可以实现三维测量，本方法具有较快的三维测量速度；（3）该方法在高速、高精度三维测量中具有很高的实用价值。

Description

彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维测量方法，尤其涉及彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法。

背景技术

条纹投影轮廓术由于非接触、全场测量、测量速度快和易于信息处理等优点，在三维测量中有重要意义。三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、高速CMOS2、工作站3、测量支架4和参考平面5； DLP投影仪1和高速CMOS2放在测量支架4上；DLP投影仪1、高速CMOS2分别用导线连接工作站3；待测物体6放在参考平面5上；工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹投射到被测物体6表面，由高速CMOS2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪1光轴和高速CMOS2光轴相交于O点。DLP投影仪1和高速CMOS2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l ₀。被测物体6的高度计算公式（1）为：

（1）

其中f ₀为参考平面上的正弦条纹频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。

通过对国内外研究现状及发展动态分析研究，高速、高精度三维测量在安全领域（人脸和指纹识别）、医学诊断、产品在线检测等方面都有着广泛的应用。国内外针对物体表面形貌的高速三维测量在理论和应用上做了一系列研究，通常对动态场景的三维测量方法有傅里叶变换轮廓术和彩色编码方法。利用基于条纹投影和傅里叶变换轮廓术能实现动态过程三维面形测量。利用彩色编码方法能实现人物表情扑捉。以上两种方法的优点是测量时仅需要投射一幅编码条纹，极大地提高了测量速度。传统的彩色正弦条纹三维测量方法，由于投影的彩色正弦条纹灰度为0-255，投影仪的投影速度限制在120帧/秒以内，大大制约了投影仪的投影速度，直接影响测量速度。本发明提出一种彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，本方法投影的彩色二进制条纹只有0和255两个灰度级，而投影仪本身是数字二元器件，这样可以极大地提高投影仪的投影速度，从而提高测量速度。除此之外，传统彩色正弦条纹三维测量方法由于受到投影仪的非线性Gamma效应和高频噪声等影响，测量精度会受到很大影响，本发明采用彩色二进制条纹离焦投影方法，光学离焦系统是一种点扩散函数调制系统，类似于低通滤波，可以滤除掉高次谐波，只留下基频，可以消除高频噪声等对测量精度的影响，并且可以克服投影仪的非线性Gamma效应，从而提高测量精度。

随着工业自动化技术的飞速发展，实现对物体表面形貌高速、高精度的三维测量方法越来越受到广大研究者的重视。三维测量方法是现代制造业的关键基础技术之一，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，它为产品制造提供必需的三维数据。本发明提出的一种彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法在高速、高精度三维测量中将发挥重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，该方法较传统的彩色正弦条纹三维测量方法，在测量速度和精度上都有明显提高。

本发明是这样来实现的，彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，其特征是：由彩色二进制条纹编码原理、离焦投影系统、三维测量原理三大关键部分组成；

所述彩色二进制条纹编码原理，通过将RGB图像中的红、绿、蓝三个通道分别二值化，再通过合成，得到彩色二进制条纹；

所述离焦投影系统，通过彩色对二进制条纹进行傅里叶分析：

(2)

可知二进制条纹中含有高次谐波，通过对它进行适当离焦，可将高次谐波滤除，得到标准的正弦条纹；

所述三维测量原理，按离焦投影系统中的方法得到了分离出来的红、绿、蓝三种颜色的彩色正弦条纹，由三步相移法得到截断相位值：

(3)

再采用质量引导法进行相位解包裹，得到连续相位值，从而利用公式（1）得到物体的高度。

本发明的优点是：（1）与传统彩色正弦条纹投影方法相比：传统方法投影仪投影的彩色正弦条纹灰度分布为0-255,投影速度限制在120帧/秒以内，制约了测量速度；本方法投影彩色二进制条纹,由于只有0和255两个灰度级，投影仪的投影速度有很大的提高，极大地提高三维测量速度；（2）采用了三步相移方法，只需要一幅彩色二进制条纹就可以实现三维测量，本方法具有较快的三维测量速度；（3）采用彩色二进制条纹离焦投影方法，可以滤除高次谐波、高频噪声以及克服投影仪的非线性Gamma效应，极大地提高三维测量精度，该方法在高速、高精度三维测量中具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图。

图2为本发明的红、绿、蓝三个通道二值化后的效果图。

在图2中，（a）为红色通道的某一行，（b）为绿色通道的某一行，（c）为蓝色通道的某一行。

图3为本发明的模拟离焦的效果图。

在图3中，(d)为傅里叶频谱图，(e)为二进制条纹离焦后得到的正弦条纹。

图4为本发明的彩色二进制条纹适度离焦后对应的红色通道某一行的灰度图。

图5为图4对应的傅里叶频谱图。

图6为本发明的传统彩色正弦条纹对应的红色通道某一行的灰度图。

图7为图6对应的傅里叶频谱图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明是这样来工作和实施的，彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，其特征是：由彩色二进制条纹编码原理、离焦投影系统、三维测量原理三大关键部分组成。

一传统的彩色正弦条纹

在目前的多种颜色模型中，RGB颜色模型是实际应用最多的一种。RGB图像由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三个通道合成。传统的彩色正弦条纹三维测量方法采用三步相移法来获取相位值，三种彩色光中每两个之间的相位差都是120度，红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种颜色在每个像素（x，y）的光强度如下所示：

（4）

（5）

（6）

分别是红、绿、蓝三种颜色通道上的光强度。是背景强度，是调制强度，是相位分布。

二彩色二进制条纹编码原理

传统RGB彩色编码条纹由于其采用的是正弦模式，灰度分布为0-255，严重地制约了投影仪的投影速度，并且存在投影仪的非线性Gamma效应以及高次谐波，直接影响到测量精度。所以它通常应用于低精度要求的测量中。为此，本发明提出基于彩色二进制条纹离焦投影方法来解决以上问题，该方法的实施步骤如下：

首先将RGB图像中的红、绿、蓝三个通道分别二值化，如图2所示；再通过合成，得到彩色二进制条纹。

三对彩色二进制条纹离焦投影

通过对二进制条纹进行傅里叶分析：

(2)

可知二进制条纹中含有高次谐波，通过对它进行适当离焦，可将高次谐波滤除，得到标准的正弦条纹，如图3所示为模拟离焦的效果图。

所以，通过对彩色二进制条纹进行适当离焦，可以得到效果良好的彩色正弦条纹。

如图4所示为彩色二进制条纹适度离焦后对应的红色通道某一行的灰度图；图5为图4对应的傅里叶频谱图。与传统彩色正弦条纹聚焦投影方法相比：图6为传统彩色正弦条纹对应的红色通道某一行的灰度图；图7为图6对应的傅里叶频谱图。由图7可以看出，传统彩色正弦条纹存在高次谐波，对测量精度产生较大影响，而经过离焦后的彩色二进制条纹，高次谐波能很好的滤除,如图5所示。

四三维测量原理

按（三）中的方法得到了分离出来的红、绿、蓝三种颜色的彩色正弦条纹。由三步相移法得到截断相位值：

(3)

Claims

1.彩色二进制条纹离焦投影三维测量方法，其特征是：由彩色二进制条纹编码原理、离焦投影系统、三维测量原理三大关键部分组成；所述彩色二进制条纹编码原理，通过将RGB图像中的红、绿、蓝三个通道分别二值化，再通过合成，得到彩色二进制条纹；所述离焦投影系统，通过彩色对二进制条纹进行傅里叶分析：

(2)

可知二进制条纹中含有高次谐波，通过对它进行适当离焦，可将高次谐波滤除，得到标准的正弦条纹；所述三维测量原理，按离焦投影系统中的方法得到了分离出来的红、绿、蓝三种颜色的彩色正弦条纹，由三步相移法得到截断相位值：

(3)

再采用质量引导法进行相位解包裹，得到连续相位值，从而利用公式（1）

得到物体的高度。