CN104132628B - 用相位计算实现线结构光三维测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是三维传感技术中一种用相位计算实现线结构光三维测量的方法。用投影设备对被测物体进行线扫描，用摄像装置记录下线结构光图像序列，采用相位测量轮廓术的相位计算公式分别计算出基频相位和多个高频截断相位，根据时间相位展开方法得到绝对相位，再根据亮度调制滤除相位图中信噪比低的区域，最后用相位和系统标定参数计算出被测物体表面的三维坐标。本发明可用于包括激光线扫描的线结构光三维测量技术。本发明方案具有计算效率高、抗干扰能力强和测量精度高的优点。

Description

用相位计算实现线结构光三维测量的方法

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及通过投影线结构光实现对目标物体表面的三维测量。

背景技术

基于结构光投影的三维测量技术因其非接触、测量精度高的优点在工业生产和科学研究领域有广泛的应用，如工业检测、逆向工程、三维生物特征识别、辅助医疗诊断等。结构光技术包括以下基本步骤：用投影装置向目标物体投射结构光编码图案，再用摄像装置同步拍摄，通过解码得到摄像空间与投影空间的对应关系，进而利用三角原理获得目标物体的三维坐标。相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，简称PMP)是一种经典的结构光三维测量技术，具有测量精度高、对环境光和被测物体纹理等干扰因素不敏感的优点。相位测量轮廓术采用具有相移的正弦结构光图案序列，利用捕捉到的图像序列计算相位，并通过相位信息获取被测物体表面的三维坐标。线结构光扫描，特别是激光线扫描，被广泛应用于工业三维测量。现有线结构光图案的解码方案主要是基于对摄像头获取的激光条纹的峰值进行检测。峰值检测的精度直接影响三维测量结果的精度，论文“Naidu,D.K.,and Robert B.Fisher."A comparative analysis of algorithms for determining thepeak position of a stripe to sub-pixel accuracy."BMVC91.Springer London,1991.217-225”对多种峰值检测算法进行了综述。现有基于峰值检测的线结构光测量方法有以下缺点：(1)由于峰值检测采用邻域操作，如差分、查找最大值等操作，检测过程受环境光、被测物体反射率不一致等干扰因素影响较大，抗干扰能力较弱，在复杂测量环境下精度难以保证。(2)为了保证峰值检测算法的稳定性和测量精度，一般需要额外使用复杂的图像处理方法，如曲线拟合、异常点检测与间断点插值等，计算过程繁琐，计算效率不高。如何克服现有方法计算效率低、抗干扰能力弱、精度有限的缺点，在保证测量精度的同时提高计算效率以及增强抗干扰能力，应用本发明提及的方案就可以解决这一关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前基于峰值检测的线结构光三维测量方法计算效率低、抗干扰能力弱、精度有限的缺陷，提供一种基于相位计算的方法，该方法在保证高测量精度的同时具有较高的计算效率和很强的抗干扰能力。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

用投影设备对被测物体进行线扫描，用摄像装置记录下线结构光图像序列，用相位测量轮廓术的相位计算公式分别计算出基频相位和多个高频截断相位，根据时间相位展开方法得到绝对相位，再利用相位测量轮廓术的计算公式得到图像序列的亮度调制，根据亮度调制信息滤除相位图中信噪比低的区域，用相位和系统标定参数计算出被测物体表面的三维坐标。

本发明与现有技术相比有如下优点：

与现有基于峰值检测的线结构光三维测量方法相比，因为本发明无需繁琐的图像处理，直接计算相位，所以算法实现简单，计算效率更高；由于本发明在对图像序列的相位计算过程中不涉及邻域操作，即对每个像素点的操作是独立进行的，且对环境光和被测物体纹理等干扰因素不敏感，所以抗干扰能力更强，系统运行更稳定；因为本发明通过对高频截断相位展开得到最终相位，所以能效抑制随机噪声，且计算出的相位具有子像素精度，从而能保证较高的三维测量精确度。

附图说明

图1为本发明三维测量系统结构图。

图2为本发明三维测量方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。

附图1为本发明三维测量系统结构图，图中101为摄像头，102为投影机，103为计算机，104为被测样品。采用的装置有1台CASIO XJ-M140投影机，投影机缓存帧大小为800×600像素，灰度量化等级为8bit，投影机最大输出频率为150帧/s；1个Prosilica GC650工业摄像头，分辨率为640×480像素，灰度量化等级为8bit，摄像头最大捕捉频率为62帧/s。1台具有Core i3 3530 CPU，4GB内存的计算机。由计算机对结构光投影和拍摄过程进行控制。附图2为本实施例线结构光三维测量方法流程图。本实例具体实施步骤如下：

(1)对摄像头和投影机进行标定，分别得到摄像头与投影机大小为3×4的投影矩阵M_wc、M_wp。

(2)生成线结构光图案。垂直方向扫描的线结构光图案序列可以表示为：

其中，(x^p，y^p)表示投影机空间坐标；表示线结构光图案在像素点(x^p，y^p)处的灰度值；A为投影线条纹的幅值；δ表示单位冲激函数，即满足δ(0)＝1，且当x≠0时δ(x)＝0；H^p表示投影机空间的高度；n表示扫描线的位移系数，当n分别取0，1，...，H^p-1时，分别对应扫描线处于第0，1，...，H^p-1行的图案。这里线结构光图案参数取值为：A＝255，H^p＝800。

(3)对目标物体进行结构光扫描。用投影机把上述结构光图案序列依次投射到目标物体表面，并用一个摄像头对目标场景进行同步拍摄。拍摄到的线结构光图像序列表示为其中(x^c，y^c)表示摄像头空间坐标，表示位移系数为n的摄像头图像在像素点(x^c，y^c)处的灰度值。

(4)用拍摄到的线结构光图像解码得到相位。计算相位的公式为：

其中，Φ表示摄像头图像在像素点(x^c，y^c)处的相位值；f表示该相位对应的空间频率。当取f＝1时，计算出的是基频相位；而当f取高频时，上式计算出的是出未展开的高频相位。f分别取基频和高频，这里f具体取值为f＝1，4，16，64，用上式分别计算出基频相位和未展开的高频相位，然后通过时间相位展开法用基频相位依次对高频相位进行展开，最终得到展开后的高频相位。多频相位展开的具体方法在技术报告“Yalla V G,Hassebrook LG.Very high resolution 3D surface scanning using multi-frequency phasemeasuring profilometry[C]//Defense and Security.International Society forOptics and Photonics,2005:44-53”中有详细介绍。设展开后高频相位的取值范围为[0，2πf]，摄像头与投影机的坐标对应关系可以表示为：需要指出的是，当f＝1时，上述相位计算公式，即式(2)，是相位测量轮廓术中标准的相位计算公式；当取高频时，式(2)为双频相位测量轮廓术中高频相位的计算公式，其中双频相位测量轮廓术在论文“Liu,Kai,et al."Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shapemeasurement."Optics express 18.5(2010):5229-5244”中有详细介绍。

(5)根据亮度调制滤除相位图中信噪比低的区域。由计算亮度调制的公式为：

其中，B^c表示摄像头图像在像素点x^c，y^c)处的亮度调制。摄像头图像中某像素点B^c值的大小能反映该点相位是否有效。B^c值较大区域对应有效测量区域，而B^c值接近于0的区域则对应信噪比较低的区域或背景阴影区域。故用B^c作为滤波器过滤掉相位图Φ(x^c，y^c)中的无效区域，即设定一个阈值K，这里K取值为K＝0.2，把摄像头坐标区域{(x^c，y^c)|B^c(x^c，y^c)≥K}判定为有效测量区域，保留该区域内的相位，而把区域{(x^c，y^c)|B^c(x^c，y^c)＜K}判定为无效区域，舍弃该区域内的相位。

(6)根据相位以及系统标定参数M_wc和M_wp可以计算出被测物体表面的三维坐标。具体计算方法在论文“Li J,Hassebrook L G,Guan C.Optimized two-frequency phase-measuring-profilometry light-sensor temporal-noise sensitivity[J].JOSA A,2003,20(1):106-115.”中有详细介绍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于线结构光扫描的三维测量方法，其特征在于用投影机向被测物体投射采用计算机设计编码的线结构光图案，线结构光图案的任一行或任一列灰度值为A，A为投影机最大灰度级，图案其余区域灰度值为0，扫描过程中，线的位置从图案的第一行或第一列依次移动到最后一行或最后一列，用摄像装置记录下线结构光图像序列，用相位测量轮廓术的相位计算公式得到图像序列的相位，

所述相位计算公式为：

$\mathrm{\Φ}(x^c,y^c)=arctan\[\frac{\underset{n=0}{\overset{H^p-1}{\Σ}}{I}_n^c(x^e,y^c)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}fn}{H^p}\right)}{\underset{n=0}{\overset{H^p-1}{\Σ}}{I}_n^c(x^c,y^c)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}fn}{H^p}\right)}\],$

其中，H^p表示所述投影机空间的高度；n表示扫描线的位移系数；(x^c，y^c)表示所述摄像装置空间坐标，表示位移系数为n的摄像装置图像在像素点(x^c，y^c)处的灰度值；Φ表示所述摄像装置记录的图像在像素点(x^c，y^c)处的相位值；f表示所述相位值对应的空间频率；

滤除相位图中信噪比低的区域，根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维坐标；

所说的用相位测量轮廓术的相位计算公式得到图像序列的相位，是通过用相位测量轮廓术的相位计算公式分别计算出基频相位和多个高频截断相位，当f取基频时，所述相位计算公式计算出的是基频相位；而当f取高频时，所述相位计算公式计算出的是未展开的高频相位；根据时间相位展开方法用基频相位依次对高频相位进行展开得到绝对相位，这些操作的目的是利用展开高频相位抑制随机噪声，并获得高精确度的相位信息；

所说的滤除相位图中信噪比低的区域，是利用相位测量轮廓术的计算公式得到图像序列的亮度调制，

所述亮度调制的计算公式为：

$B^c(x^c,y^c)=\frac{2}{H^p}\sqrt{{\[\underset{n=0}{\overset{H^p-1}{\Σ}}{I}_n^c(x^c,y^c)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}n}{H^p}\right)\]}^2+{\[\underset{n=0}{\overset{H^p-1}{\Σ}}{I}_n^c(x^c,y^c)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}n}{H^p}\right)\]}^2},$

其中，B^c表示所述摄像装置图像在像素点(x^c，y^c)处的亮度调制，B^c值的大小能反映该点相位是否有效，根据B^c值设定一个阈值K，把相位图中亮度调制小于该阈值的像素区域滤除，目的是去除信噪比低的无效相位；具体包括：把摄像头坐标区域{(x^c，y^c)|B^c(x^c，y^c)≥K}判定为有效测量区域，保留该区域内的相位，而把区域{(x^c，y^c)|B^c(x^c，y^c)＜K}判定为无效区域，舍弃该区域内的相位。