CN104390607A - 基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，由彩色正弦条纹编码原理、彩色相位条纹编码原理、消除通道间颜色串扰原理、三维测量原理四大关键部分组成。本发明的优点是：（1）与传统的正弦条纹加相位编码条纹投影方法相比：传统方法需分别投影三帧正弦条纹（每帧相移120_- ⁰）和三帧相位编码条纹（每帧相移120_- ⁰）；本方法只需分别投影一帧彩色正弦条纹和一帧彩色相位编码条纹，极大地提高三维测量速度；（2）该方法在动态物体的快速、实时三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。

Description

基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维测量方法，尤其涉及基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法。 

背景技术

结构光投影轮廓术由于非接触、全场无损耗测量、测量速度快、灵敏度高和自动化程度高等优点，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、彩色CCD2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；DLP投影仪1和彩色CCD2放在测量支架4上；DLP投影仪1、彩色CCD2分别通过数据线连接工作站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聚焦投射到被测物体6表面，由彩色CCD2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光轴和彩色CCD2光轴相交于O点。DLP投影仪1和彩色CCD2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的高度计算公式为： 

                                                        （3）

其中f ₀为参考平面上的彩色正弦条纹频率，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向分析研究，传统的三维测量技术己经发展较为成熟，但多为静态测量，由于投影和采集速度不高及投影条纹的帧数多，无法实现运动物体的三维测量和形貌重构。近年来高速、实时和高精度的三维测量在物体形变分析、工业自动检测、医学诊断、人脸识别等方面都有着广泛的应用，并且随着采集设备、投影设备、高速处理器的性能提升，高速、实时和高分辨率的三维测量方法成为研究的热点。因此，尽量减少投影条纹的帧数成为高速、实时和高精度的三维测量的突破口。国内外针对物体表面形貌的快速三维测量在理论和应用上做了一系列研究，通常快速的三维测量方法有傅里叶变换轮廓术和彩色编码方法。利用基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术能实现物体三维面形的快速测量。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需要投射编码条纹数量少，极大地提高了测量速度。传统的正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，在最少的相移步数的条件下，需要投射三帧正弦条纹和三帧相位编码条纹，耗时长，直接影响测量速度，这种单一通道的测量技术已无法满足现今需要更快、更好地测量物体三维形貌这一发展趋势。本发明提出一种基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，此方法只需投射一帧彩色正弦条纹和一帧彩色相位编码条纹，耗时短，从而提高测量速度，适合快速、实时三维测量的场合。除此之外，传统彩色正弦条纹三维测量方法,各通道之间有相互串扰和强度失衡的问题，而本发明通过加入算法可以减小通道间的串扰，并且补偿通道的强度不均衡，从而修正截断相位的误差，提高测量精度。 

随着工业自动化技术的飞速发展，物体表面形貌高速、实时、高精度的三维测量方法越来越受到广大研究者的重视。由于彩色图像较灰度图像具有更加丰富的信息量和更好的识别特征,可以减小投影帧数，因此,利用彩色条纹的颜色信息来进行快速、实时、高精度的三维测量成为一种新的方法。本发明所述的一种基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法正是在这一背景下提出的。 

发明内容

本发明提出一种基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，此方法较传统的正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，在测量速度上有明显提高，适合快速、实时的三维测量场合。 

本发明基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，其特征是：彩色相位条纹编码原理和三维测量原理。 

所述彩色相位编码条纹编码原理，通过将RGB三个通道中分别嵌入同频率且相位依次为-120⁰、0⁰、120⁰的相位编码条纹，再通过合成，得到彩色相位编码条纹； 

所述三维测量原理，由消除串扰后的彩色正弦条纹分离出的三个强度分布，使用三步相移法得到截断相位值：

                                             （1）

再通过提取CCD记录的彩色相位编码条纹的三个通道强度，使用三步相移法得到编码相位，进而求解条纹级次k，通过解相公式： 

                                                       （2）

进行相位解包裹，得到其连续相位值，从而利用相位-高度公式：

                                                （3）

最后得到物体表面每一点的高度信息。

本发明的优点是： 

（1）与传统的正弦条纹加相位编码条纹投影方法相比：传统方法需分别投影三帧正弦条纹（每帧相移120_- ⁰）和三帧相位编码条纹（每帧相移120_- ⁰）；本方法只需分别投影一帧彩色正弦条纹和一帧彩色相位编码条纹，极大地提高三维测量速度；

（2）该方法在动态物体的快速、实时三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图。 

图2为本发明的彩色正弦条纹图。 

图3为本发明的消除通道间串扰后的彩色正弦条纹图。 

图4为本发明的彩色相位编码条纹图。 

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，基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，其特征是：由彩色正弦条纹编码原理、彩色相位条纹编码原理、消除通道间颜色串扰原理、三维测量原理四大关键部分组成。 

(一) 彩色正弦条纹编码原理 

彩色正弦条纹是由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三个通道的正弦条纹编程组合而成，它们的相位依次相隔120⁰，其各通道设置强度如下所示：

                        (4)

         （5）

                       （6）

其中x为投影仪水平方向的像素，p为条纹间距。

                       （7） 

                      （8）

                 （9）

、 、分别是由CCD采集到红、绿、蓝三种颜色通道上的光强值。是平均亮度，是调制亮度，是待求相位。

(二) 彩色相位条纹编码原理 

传统的相位编码条纹是由周期相同、明暗程度不同的条纹按正弦（余弦）规律排列组成。其相位在平均分配于之间，像素点（x,y）的阶梯型编码相位可表示为：，其中[x/p]=k(x,y)为通过取整运算得到的理想条纹级次，N为设定相位编码条纹总的周期数目，p为条纹间距（即每个周期的像素个数）。

彩色相位编码条纹是由三个通道的初相位依次为-120⁰、0⁰、120⁰的传统灰度相位编码条纹编程组成。 

(三) 消除彩色正弦条纹通道间颜色串扰原理 

将(一)中的彩色正弦条纹通过补偿公式消除各个通道的串扰，然后校正各个通道的强度。

(四) 三维测量原理 

    从(三)中得到了分离出来的红、绿、蓝三种颜色的彩色正弦条纹的强度。由三步相移法得到其截断相位值：

                                             （1）

再将(二)中彩色相位编码条纹的三个通道强度分离，使用三步相移法得到编码相位，进而继续求解条纹级次k，通过解相公式：

                                       （2）

进行相位解包裹，得到其连续相位值，从而利用相位-高度公式：    

                                   （3）

最后得到物体的高度。

Claims (1)

1.基于相位编码的彩色结构光快速三维测量方法，其特征在于该方法采用彩色相位条纹编码原理和三维测量原理；

所述彩色相位条纹编码原理是通过将RGB三个通道中分别嵌入同频率且相位依次为-120⁰、0⁰、120⁰的相位编码条纹，再通过合成，得到彩色相位编码条纹；

所述三维测量原理是由消除串扰后的彩色正弦条纹分离出的三个强度，使用三步相移法得到截断相位值：

                     （1）

再通过提取CCD记录的彩色相位编码条纹的三个通道强度，使用三步相移法得到编码相位，进而求解条纹级次k，通过解相公式：

                           （2）

进行相位解包裹，得到连续相位值，从而利用相位-高度公式：

                                （3）

最后得到物体表面每一点的高度信息。