CN104697469A - 利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法。使用投影装置向三维目标投射多组结构光图案序列，并用摄像装置进行同步拍摄，通过控制扫描参数获取具有不同的亮度的结构光图像组，对每组图像分别计算其时间序列的非主频成分幅值，把非主频成分幅值小于一定阈值的像素区域为判定为非亮度饱和区域，对每一个像素点在该点未饱和的图像组中找到亮度最大的一组，并用这组图像计算该像素点的相位，最后根据相位和系统标定参数计算出物体表面的三维坐标。本发明可用于测量反射率变化大的物体的三维面形。本发明能精确稳定地判定饱和区域，达到较高的三维测量精度。

Description

利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及用结构光扫描实现对反射率变化大的物体的三维测量。

背景技术

结构光测量技术是一类高精度的光学三维测量技术，其在工业生产、科学研究等领域有广泛应用。典型的结构光测量技术包括相位测量轮廓术（phase measuring profilometry，简称PMP）、三角波图案相移轮廓术（triangular-pattern phase-shifting profilometry，简称TPP）等。如何用结构光技术重建反射率变化大的物体（又称高动态三维测量）是一个技术难题，因为在捕获的结构光图像中，一方面，反射率大的区域可能会产生亮度饱和，另一方面，反射率小的区域信噪比较低，而亮度饱和与低信噪比均会导致明显的测量误差。针对这一问题，最典型的方法Zhang和Yau在论文“Zhang S, Yau S T. High dynamic range scanning technique[J]. Optical Engineering, 2009, 48(3)”提出的相位融合方法。该方法通过调节曝光时间获取多组具有不同亮度的图像，直接利用亮度值是否达到摄像头的最大量化值（如8-bits摄像头的最大量化值为255）作为饱和的判定标准，每个像素点的相位是由在该点未饱和图像组中亮度最大的一组计算得到。理论上，该方法既避免了饱和又实现了尽可能大的信噪比。然而，在饱和程度不大的区域，摄像头模糊效应和随机噪声可能会导致亮度偏离最大量化值，因此，直接基于亮度判定饱和的方法并不精确。如何精确检测图像饱和区域，从而提高高动态三维测量的精度，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

本发明针对现有高动态测量方法中饱和区域检测精度低的缺陷，提出一种光学三维传感技术中利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法，该方法能精确判定饱和区域，从而能达到较高的三维测量精度。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

使用投影装置向三维目标投射多组结构光图案序列，图案用空间分布的周期信号进行编码，相邻图案之间存在固定相移量，图案序列的总相移量为一个周期，并用摄像装置进行同步拍摄，通过控制扫描参数获取具有不同的亮度的结构光图像组，对每组图像分别计算其时间序列的非主频成分幅值，把非主频成分幅值小于一定阈值的像素区域为判定为非亮度饱和区域，对每一个像素点在该点未饱和的图像组中找到亮度最大的一组，并用这组图像计算该像素点的相位，最后用相位和系统标定参数计算出物体表面的三维坐标。

本发明与现有技术相比有如下优点：

因为本发明利用图像时间序列的非主频成分幅值来判定饱和，是基于时间序列的整体波形进行判定，所以受由摄像头模糊效应和随机噪声导致的亮度偏差影响较小，能精确稳定地判定饱和区域，与现有技术相比，能达到更高的三维测量精度。

附图说明

图1为本发明利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法的工作流程图。

具体实施方式

采用的装置有1台CASIO XJ-M140投影机，投影机缓存帧大小为                                                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1为本实施例利用谐波幅值判定饱和的高动态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的投影矩阵、。

（2）生成正弦结构光图案，并对图案进行非线性预补偿。

生成多组正弦结构光图案，各图案组具有不同亮度，结构光图案表示为：

                                                  （1）

其中，为投影机空间坐标，m为图案组序号，n为图案的相移序号，M和N分别为图案组数目和每组图案的相移总次数，表示第(m+1)组第(n+1)幅图案在像素点处的灰度值，是投影机空间的高度，是结构光图案的空间频率，为结构光图案的直流分量，为结构光图案的交流振幅，满足，图案亮度随图案组序号增加而减小。本实例正弦结构光图案的参数为：，M=45，N=4， f=16，  。由于结构光系统的非线性不仅会产生测量误差，还会产生谐波，干扰本方法对饱和的判定，所以我们对投影图案进行非线性预补偿，非线性预补偿的方法在论文“Liu K, Wang S, Lau D L, et al. Nonlinearity calibrating algorithm for structured light illumination[J]. Optical Engineering, 2014, 53(5)”中有详细介绍。

（3）用具有不同亮度的正弦结构光图案组对目标物体进行扫描。

用投影机向被测物体投射正弦结构光图案，用摄像头同步捕捉结构光图像，拍摄到的图像表示为：

                     （2） 其中，为摄像头图像坐标，表示拍摄的第(m+1)组图像序列中第(n+1)幅图在处的亮度值；、和分别表示第(m+1)组图像序列在处的平均亮度值、亮度调制和相位。

   （4）利用谐波幅值判定饱和，并求出每个像素点对应的最佳图像组序号。

计算每个图像组时间序列二次谐波的幅值，计算公式为：

，  （3）

其中，表示第(m+1)组图像序列在处二次谐波的幅值。

对每一个像素，计算在该像素所有未饱和的图像组序号，表示为：

，                                                  （4）

其中，T为用户自定义阈值，本实例取T=4，表示所有在处未饱和的图像组序号的集合。取中具有最大亮度的一组图像作为对应的最佳图像组，即：

，                                                             （5）

其中，表示最小值函数， r表示对应的最佳图像组序号。

（5）对每个像素用其对应的最佳图像组计算相位，相位计算公式为：

                 （6）

其中，表示处得到的相位值。

  （6）用相位以及系统标定参数和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。

 实验结果显示，本发明方法与现有技术（Zhang S, Yau S T. High dynamic range scanning technique[J]. Optical Engineering, 2009, 48(3)）的相位误差的均方根值（RMS）分别为0.00162和0.00214，这表明本发明方法比现有技术测量精度更高。

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 (5)

1.一种利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法，其特征在于使用投影装置向三维目标投射多组结构光图案序列，并用摄像装置进行同步拍摄，通过控制扫描参数获取具有不同的亮度的结构光图像组，对每组图像分别计算其时间序列的非主频成分幅值，把非主频成分幅值小于一定阈值的像素区域为判定为非亮度饱和区域，对每一个像素点在该点未饱和的图像组中找到亮度最大的一组，并用这组图像计算该像素点的相位，最后用相位和系统标定参数计算出物体表面的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的结构光图案序列，其特征是：图案用空间周期信号进行编码，相邻图案之间存在固定相移量，图案序列的总相移量为一个周期，典型图案序列包括正弦波图案序列、三角波图案序列、梯形波图案序列。

3.根据权利要求1所述的控制扫描参数，其特征是：调节摄像装置的曝光时间；或者改变投影图案的亮度，或者调节摄像装置的光圈。

4.根据权利要求1所述的非主频成分，其特征是：信号主频成分以外的频率成分，一般是信号的高次谐波；例如，正弦波的非主频成分为二次及以上谐波，三角波的非主频成分为二次及以上的偶次谐波。

5.根据权利要求1所述的利用谐波幅值判定饱和的高动态三维测量方法，其特征是：利用图像非主频成分幅值定位饱和区域，准确测量反射率变化大的物体。