CN104315996B - 用二进制编码策略实现傅里叶变换轮廓术的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用二进制编码策略实现傅里叶变换轮廓术的方法。把一幅高频正弦结构光图案按位平面分解为一系列二进制编码图案，使用投影装置向三维目标投射该二进制编码图案，并用摄像装置进行同步拍摄，对拍摄的二进制图像进行二值化处理，再根据位平面与灰度图像的对应关系合成一幅高频正弦结构光图像，利用傅里叶变换轮廓术处理合成的正弦结构光图像，得到截断相位，对截断相位进行相位展开得到绝对相位，用绝对相位和系统标定参数计算出三维目标表面的三维坐标。本发明可用于测量具有漫反射特性物体的三维面形。本发明能有效避免传统傅里叶变换轮廓术存在的频谱混叠问题和背景光干扰，具有较高的测量精度。

Description

用二进制编码策略实现傅里叶变换轮廓术的方法
技术领域
本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于傅里叶变换轮廓术对空间物体的三维面形测量。
背景技术
傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)是一种应用广泛的非接触式光学三维测量技术，论文“Su,X.,&Chen,W.(2001).Fourier transformprofilometry:a review.Optics and lasers in Engineering,35(5),263-284”详细介绍了傅里叶变换轮廓术的原理。因为傅里叶变换轮廓术一般只需要一帧高频结构光图案，所以它的显著优点是能实时对运动物体进行三维测量。傅里叶变换轮廓术的核心步骤是在频域用带通滤波器滤除直流分量和高次谐波，提取主频分量。然而，背景光亮度和物体反射率在空间上的变化、随机噪音以及摄像头-投影机系统的非线性均会产生谐波，而这些谐波与主频分量在频谱上混叠，从而使傅里叶变换轮廓术无法准确提取主频分量，导致严重的测量误差。此外，传统傅里叶变换轮廓术对背景光也很敏感。上述原因致使傅里叶变换轮廓术虽然实时性较好，但测量精确度较低。二进制编码技术，作为另一种典型的结构光三维测量技术，由于其使用的投影图案只具有两级灰度，所以解码的鲁棒性较强，相对于连续灰度编码具有诸多优势：一方面，二进制编码技术能有效抑制随机噪音；另一方面，它不受测量系统的非线性、背景光、物体表面反射率等因素影响。此外，现有投影设备扫描二进制图案的帧率大大高于扫描灰度图案的帧率，这为利用二进制编码技术实施高速三维扫描提供了保证，例如论文“Li,B.,Wang,Y.,Dai,J.,Lohry,W.,&Zhang,S.(2014).Some recentadvances on superfast 3D shape measurement with digital binary defocusingtechniques.Optics and Lasers in Engineering,54,236-246”报道了采用二值图案投影技术实现了KHz的三维测量速度。如何把二进制编码技术与傅里叶变换轮廓术有机结合起来，在保证傅里叶变换轮廓术测量快速性的基础上，解决背景光亮度和物体反射率在空间上的变化、随机噪音以及摄像头-投影机系统的非线性导致的频谱混叠问题，消除背景光的对傅里叶变换轮廓术的影响，从而提高傅里叶变换轮廓术的测量精确度，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传统傅里叶变换轮廓术由于背景光亮度和物体反射率在空间上的变化、随机噪音以及摄像头-投影机系统的非线性导致的频谱混叠问题，提出一种三维传感技术中采用二进制编码策略的傅里叶变换轮廓术，这种方法能解决频谱混叠问题，且不受背景光的影响，在保证快速测量的基础上，具有较高的测量精度。
本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：
把一幅高频正弦结构光图案按位平面分解为一系列二进制编码图案，使用投影装置向三维目标投射该二进制编码序列，并用摄像装置进行同步拍摄，对拍摄的二进制图像进行二值化处理，提取出二进制编码信息，根据位平面与灰度图像的对应关系合成一幅高频正弦结构光图像，利用傅里叶变换轮廓术处理合成的正弦结构光图像，从而计算出截断相位，对截断相位进行相位展开得到绝对相位，用绝对相位和测量系统标定参数计算出三维目标表面的三维坐标。
本发明与现有技术相比有如下优点：
因为本发明在扫描过程中使用二进制编码图案，所以本发明方法不受测量系统的非线性、背景光、物体表面反射率等因素影响，且能有效抑制随机噪声，所以本发明能克服传统傅里叶变换轮廓术的频谱混叠问题和背景光干扰，提高测量精确度；相对于传统傅里叶变换轮廓术，本发明由于采用了二进制编码图案，对摄像头亮度饱和具有更强的鲁棒性。
附图说明
图1为结构光三维测量系统结构图
图2为本发明采用二进制编码策略的傅里叶变换轮廓术的工作流程图。
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。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 3530CPU，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为本实施例二进制编码的傅里叶变换轮廓术流程图。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Mwc、Mwp。
(2)生成一幅高频正弦结构光图案，该结构光图案可以表示为：
其中，(xp，yp)为投影机空间坐标，Ip表示结构光图案在像素点(xp，yp)处的灰度值，Hp是投影机空间的高度，f是结构光图案的空间频率，A为结构光图案的直流分量，B为结构光图案的交流振幅，满足A≥B。本实例正弦结构光图案的参数为A＝B＝127.5，空间频率取f＝32。
(3)把正弦结构光图案按位平面分解为二进制结构光图案序列。正弦结构光图案与其分解产生的二进制结构光图案的关系可以表示为：
其中，表示第i个比特平面的二进制图案在像素点(xp，yp)处的灰度值，m表示连续灰度结构光图案分解产生的二进制图案的数目。由于格雷码比直接二进制编码误码率更低，所以根据二进制数与格雷码的对应关系把直接二进制图案序列转换为对应的格雷码图案序列本实例中m＝8。
(4)用二进制图案序列对目标物体进行结构光扫描。向目标物体投射格雷码图案序列中只有0和1两级灰度，在实际投影过程中分别对应投影机的最低亮度级和最高亮度级。用摄像头同步捕捉每一幅格雷码图像，并用阈值法对捕捉图像进行二值化，二值化处理后的图像表示为其中(xc，yc)表示摄像头图像坐标，表示在像素点(xc，yc)处的灰度值。
(5)根据位平面与灰度图像的对应关系，用二进制图像序列合成高频正弦结构光图像。由二进制数与格雷码的对应关系把格雷码图像序列转换为对应的直接二进制图像序列具有连续灰度级的正弦结构光图像可以用合成，合成公式为：
其中Ic表示在摄像头空间合成的余弦图像在像素点(xc，yc)处的灰度值。Ic也可以表示为：
Ic(xc，yc)＝A+Bcos[Φ(xc，yc)]， (4)
其中Φ表示摄像头空间像素点(xc，yc)对应的相位值。
(6)用傅里叶变换轮廓术从合成的正弦结构光图像中提取相位。为了去除结构光图像中的直流分量，我们通过减去已知常量A对Ic(xc，yc)进行规范化处理。规范化后的Ic可以表示为：
式(5)的复数形式可以写作：
利用傅里叶变换轮廓术从中提取相位，傅里叶变换轮廓术的相位计算过程在论文“Lohry,W.,&Zhang,S.(2012).Fourier transform profilometry using a binaryarea modulation technique.Optical Engineering,51(11),113602-113602.”中有详细介绍，现简述如下：首先，固定xc，沿yc方向对进行一维傅里叶变换；第二，在频域用带通滤波器提取的主频分量；第三，进行傅里叶逆变换，滤波后的信号可以表示为：
用可以计算出截断相位：
其中Im[·]和Re[·]分别表示取复数的虚部和实部。最后，对截断相位进行空间相位展开得到绝对相位。
(7)用绝对相位以及系统标定参数Mwc和Mwp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 (4)

1.一种用二进制编码策略实现傅里叶变换轮廓术的方法，其特征在于，把一幅高频正弦结构光图案按位平面分解为一系列二进制编码图案，使用投影装置向三维目标投射该二进制编码图案，并用摄像装置进行同步拍摄，对拍摄的二进制编码图像进行处理，提取出二进制编码信息，根据位平面与灰度图像的对应关系合成一幅高频正弦结构光图像，利用傅里叶变换轮廓术处理合成的正弦结构光图像，从而计算出截断相位，对截断相位进行相位展开得到绝对相位，用绝对相位和测量系统标定参数计算出三维目标表面的三维坐标；其中，所述利用傅里叶变换轮廓术处理合成的正弦结构光图像，从而计算出截断相位，包括：通过减去预设常量对所述正弦结构光图像进行规范化处理以去除所合成的正弦结构光图像中的直流分量，其中，所述预设常量为被分解为一系列二进制编码图案的高频正弦结构光图案的直流分量；利用傅里叶变换轮廓术计算经过所述规范化处理后的正弦结构光图像的截断相位。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的二进制编码图案，是指与高频正弦结构光图案具有唯一对应关系的二进制图案序列，其包括直接二进制编码图案和格雷码图案。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的二进制编码图案，是指灰度图案或颜色编码图案，其中颜色编码图案是在RGB颜色通道中存放多幅二进制图案，使用颜色编码图案的目的是减少投影图案数量，提高扫描速度。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的对拍摄的二进制编码图像进行处理，是从拍摄的颜色编码图像中分离出各颜色通道的二进制图像，以及对二进制图像进行二值化处理，从而得到每个像素点上的二进制编码信息。
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