CN104713497A - 相位偏移校准方法、3d形状检测的方法、系统及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种3D形状检测的方法、检测3D形状的投影系统和相位偏移校准方法。本发明的3D形状检测的方法包括：将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上并获取结构光图案，并计算相位包裹值；对结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到具有无效相位包裹值的像素位置；进行校准处理，以补偿相位偏移；将所需像素处沿第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值，以计算目标处的所需像素处的深度值。本发明的方法和系统能快速地计算以精确地获得目标的3D形状数据。

Description

相位偏移校准方法、3D形状检测的方法、系统及投影系统

技术领域

本发明涉及一种对目标形状进行测量和检测的系统和方法，具体而言，涉及一种相位偏移校准方法、利用光学投射图案校准和相位偏移校准对目标的3D形状进行检测的系统和方法以及检测3D形状的投影系统。

背景技术

在目前的目标形状的测量和检测的技术中，通常使用投影仪投射特定的光(例如条纹光或结构光)到目标表面及参考平面上，然后对目标表面及参考平面上形成的条纹光的图像进行拍摄并根据拍摄的图像中目标形状造成的光信号的变化利用相位法计算目标的位置和高度等信息，最终形成目标的3D形状。如图1所示，投影仪101将通过例如正弦光栅等光栅的条纹光投射到目标表面及参考平面上，然后由照相机102对其进行拍摄以形成图像。

由于目标的形状使得目标表面的各点与其后面的参考平面的距离不等，由此使得投射到目标上的条纹光变形。如图2所示，从投影仪投射出的光为正弦光，而后变为变形的形状。如图10所示，在目标上坐标为(x,y)的点p处的目标表面与参考平面的距离z(x,y)可以通过下式(1)计算：

其中，投影仪与相机所形成的平面平行于参考平面，l₀表示投影仪与照相机所形成的平面与参考平面的距离，表示目标和参考平面之间的相位值的差，B表示投影仪与照相机之间的距离，f₀表示投射的条纹光的正弦光栅的周期。

上式中的相位值实际是通过相位偏移方法计算的，通常需要进行至少三步相位移动以确定相位值。在实际测量过程中，也可以是四步相位移动等。相位值的计算一般来说为，首先进行相位包裹(phase wrap)的计算，而后进行相位解包裹(phase unwrap)的计算，最终得到相位值。图3示出了相位包裹和相位解包裹的示意图。

具体地，首先进行相位包裹的计算，向目标上照射多帧条纹光，从第1帧到第N帧，N是根据需要得到的整数，例如N＝3、4等，在N等于三时，根据下式(2)计算相位包裹值，其中点(x,y)的相位包裹值θ(x,y)为：

$\mathrm{\θ}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}(I_1(x,y)-I_3(x,y))}{{2I}_2(x,y)-I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right)---\left(2\right)$

其中I_i(x,y)表示第i帧相移图在点(x,y)的光强。

由于相位θ(x,y)是通过反正切函数计算得到的，因而求解所得的相位值包含在[-π，+π]中，和连续、真实的相位值相差2Nπ，所以要得到连续真实的相位值还需要对其进行解包裹得处理。

利用以下公式(3)计算相位解包裹的结果，也就是计算得到点(x,y)的相位包裹值

其中N表示相位解包裹的级数。

一般而言，利用结构光测量3D形状的步骤如下：捕获反射的图像；相位包裹；相位解包裹；生成相对相位；计算高度。

此外，在目前目标形状的测量和检测中使用的是轴偏离的投射系统，其关键问题是失真。这种失真会改变正弦图案的周期，并且每个条带的间距会变得不平均。因此，通常使用坐标校准方法进行校准，例如通过在棋盘格上投射图案光的方法进行校准，但是这种方法处理过程复杂、准确性低，同时受到棋盘有限分辨率的限制。

在公开号为US20120127305A1的美国专利申请中，其公开了一种用于得到表面轮廓的方法和装置，其中公开的方法中利用至少两个方向的数据来获得合成的高度值。这种方法中需要将两个方向的相位分别进行包裹、解包裹和得到高度值，而后将两个高度值合成来得到合成高度值。因而这种方法需要进行两个方向的多次运算，非常耗时。

在公开号为US20140253929A1的美国专利申请中，其公开了一种用于3D表面的方法和装置，其中公开的方法将至少两个方向的数据分别产生的相位解包裹合成，而后形成最终的高度值。在这种方法中也需要将两个方向的相位分别进行包裹和解包裹，而且需要两个照相机和两个投影仪，也是耗时并且结构复杂的。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出了一种利用相位偏移校准对目标的3D形状进行检测的系统和方法，其计算时间较短并且准确度高。

本发明提出了一种对目标的3D形状进行检测的方法，包括以下步骤，

步骤S1，将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上，沿所述至少两个不同方向获取被目标反射后形成的结构光图案，并计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；

步骤S2，对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；

步骤S3，利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对该第一方向的无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；

步骤S4，将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值，以计算目标上的所需像素处的深度值。

其中，在所述步骤S2中得到所述至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置的步骤为：分析沿所述第一方向获取的每个像素的灰度值和/或亮度值，如果某个像素的灰度值或亮度值大于预先给定的第一阈值或小于预先给定的第二阈值，则判定该像素处的沿第一方向的相位包裹值为无效相位包裹值。

其中，所述步骤S3中的所述校准处理包括以下步骤：

步骤S301，利用相位偏移校准表获得具有沿第一方向的无效相位包裹值的像素位置的第一方向的相位偏移值和作为补偿方向的第二方向的相位偏移值；

步骤S302，根据所述相位偏移值和沿第二方向的有效相位包裹值计算与沿第一方向的无效相位包裹值相对应的补偿相位包裹值；

步骤S303，利用所述补偿相位包裹值替换原来的无效相位包裹值，得到经补偿的无效相位包裹值。

其中，所述相位偏移校准表的获取方法包括以下步骤：

步骤S401，根据在至少两个不同方向的每个方向上单独捕获的参考平面上的结构光图案，计算沿每个方向捕获的结构光图案的所需像素处的相位包裹值，其中所述结构光是沿所述至少两个不同方向投射到参考平面上并由参考平面反射的结构光；

步骤S402，根据所述相位包裹值计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在参考平面上的所述所需像素处的相位值；

步骤S403，计算每个像素沿每个方向的相位偏移值；和

步骤S404，将每个像素沿每个方向的相位偏移值作为校准值并记录，获得相位偏移校准表。

其中，所述步骤S302中，将所述相位偏移值和有效相位包裹值相加或相减，得到与无效相位包裹值相对应的补偿相位包裹值。

其中，进一步包括在所述步骤S1之前，对执行该方法的、具有投影仪和照相机的投影系统进行网格拟合法光学校准的步骤，其包括以下步骤：

步骤S501，光学模拟将投影仪的预定网格图案投影到预定平面上；

步骤S502，根据投射网格图案的变形情况拟合投影畸变的光学参数；

步骤S503，根据拟合的光学畸变参数对投影仪发出的光进行调制，以使得所述投影仪发出的光为正投影。

其中，所述投影仪为两个并沿两个方向投射间隔的条纹光，调制后的投影仪发出的两个方向中的光的条带在同一相位周期内平行，且调制后的每个方向投影仪发出的光条带在同一平面上具有相同的宽度间隔。

其中，利用至少四点比较算法计算步骤S2中的相位包裹值，计算方向如下：

首先设置目标上的坐标为(x,y)的点沿第一方向的相位包裹值θ¹(x,y)表示为θ‘₀，将目标上的坐标为(x,y+1)，(x,y-1)，(x-1,y)，(x+1,y)的四个点沿第一方向的相位包裹值表示θ‘_i，θ‘₁为第(x-1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x-1，y)，θ‘₂为第(x+1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x+1，y)，θ‘₃为第(x，y-1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y-1)，θ‘₄为第(x，y+1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y+1)，

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)>相位阈值，

则

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)<-相位阈值，

则

否则

其中θ¹(x,y)表示沿第一方向的(x，y)点的相位包裹值，θ²(x,y)表示沿第二方向的(x，y)点的相位包裹值，相位阈值为根据实际需要选定的合适的值。

其中，所述步骤S4中的计算目标上的所需像素处的深度值为：对该组合并的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到解包裹的相位值，根据解包裹的相位值计算目标上的所需像素处的深度值。

本发明还提出了一种用于检测目标的3D形状的投影系统，包括以下组件：

至少两个投影仪，用于将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上；

照相机，用于获取所述结构光被目标反射后的结构光图案；

存储器；

处理器，根据照相机获取的结构光图案，计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对第一方向的该无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值，以计算目标上的所需像素处的深度值。

其中，所述计算目标上的所需像素处的深度值为：对该组合并的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到解包裹的相位值，根据解包裹的相位值计算目标上的所需像素处的深度值。

本发明还提出了一种相位偏移校准方法，包括以下步骤：

步骤S601，根据在至少两个不同方向的每个方向上单独捕获的参考平面上的结构光图案，计算沿每个方向捕获的所述结构光图案的所需像素处的相位包裹值，其中所述结构光是沿所述至少两个不同方向投射到参考平面上并由参考平面反射的结构光；

步骤S602，根据所述相位包裹值计算沿所述至少两个不同方向的结构光在参考平面上的所述所需像素处的相位值；

步骤S603，计算每个像素沿每个方向的相位偏移值；和

步骤S604，将每个像素的沿每个方向的相位偏移值进行记录，获得相位偏移校准表，并在实际测量时根据相位偏移校准表对所需方向的无效相位值进行校准以补偿该无效相位值。

本发明还提出了一种对目标的3D形状进行检测的系统，包括以下模块，

第一计算模块，其计算沿所述至少两个不同方向获取的被目标反射后形成的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；

分析模块，其对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析；

第二计算模块，其针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；

校准模块，其利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对该第一方向的无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；

合并模块，其将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值；

第三计算模块，其计算目标处的所需像素处的深度值。

利用本发明的方法和系统，可以极大地减小目标的3D形状的计算时间和计算难度，对于一定性能的计算机，计算时间可以从3738ms下降到2846ms，计算速度可提高24％，并且相位包裹的时间可以仅为538ms。此外，利用本发明的方法可使得整合后的相位图在校准投影方向保持全区域有效，有利于提高相位解包裹的效率和准确度，且具有一致性的相位图更利于相位包裹算法在CPU上实现并行运算。

附图说明

图1表示现有技术中结构光投射原理的示意图。

图2表示现有技术中投射到3D目标上的正弦光的变形。

图3表示相位包裹和相位解包裹的示意图表。

图4表示根据本发明一较佳实施方式的投影系统及目标的示意图。

图5表示根据本发明一较佳实施方式的利用相位偏移校准对目标的3D形状进行检测的方法的流程图。

图6表示根据本发明一较佳实施方式的利用网格拟合法进行投射图案光学校准的示意图。

图7表示根据本发明一较佳实施方式的未光学校准的投射图案和已光学校准的投射图案。

图8表示如图7所示的未光学校准的投射图案和已光学校准的投射图案中一列的强度分布图表。

图9表示根据本发明一较佳实施方式的经过相位偏移校准后的投射光的理想情形和实际情形的示意图。

图10表示根据本发明一较佳实施方式的投射到3D目标的光学系统中各部件的位置和距离的关系的示意图。

图11A表示根据本发明一较佳实施方式的沿两个方向投影的结构光图案的示意图。

图11B表示根据本发明一较佳实施方式的沿两个方向投影的相位值曲线以及其合成的相位值曲线的示意图。

图11C表示根据本发明一较佳实施方式的目标上相邻点的示意图。

图12表示根据本发明一较佳实施方式的相位值的合成方法的流程图。

图13A-13C表示根据本发明多个较佳实施方式的检测系统的设置方式的示意图。

图14表示根据本发明一较佳实施方式的检测系统的设置方式的示意图。

图15A-15B表示根据本发明一较佳实施方式的成角度设置的检测系统进行校对的步骤和每个步骤所形成的结构光的图像的示意图。

图16表示根据图14所示的检测系统的设置方式得到的校准图案的示意图。

图17表示根据本发明一较佳实施方式的检测方法的简化流程图。

图18表示根据本发明一较佳实施方式的根据采集的图像判定图像的阴影区域和高反光区域的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图4所示，根据本发明一较佳实施方式的投影系统包括位于同一平面上的投影仪401、402和照相机403，该照相机403也可以用图像传感器代替，目标405位于与投影仪401、402以及照相机403所在平面间隔一段距离的参考平面404上。

利用该投影系统对目标的3D形状进行检测的方法的流程图如图5所示，依次进行如下步骤。

步骤501，选择合适的投影仪和照相机，以构成投影系统，该投影仪与照相机位于同一平面内。在本实施例中采用两个投影仪，其可以采用三个、四个等多个任意数量的投影仪。

步骤502，在对目标进行测量之前，先进行光学图案校准的步骤，也就是对投影系统进行预先的光学投射图案校准。本申请中采用网格拟合法进行光学投射图案校准。该步骤502并非对每一次的目标测量都需要。由于参考平面与照相机和投影仪所在平面之间的距离是固定的，因此对于同一参考平面或距离相同的参考平面，仅需进行一次校准和对投影系统进行一次设定，并且固定该设定之后无需再进行校准。因而该步骤实际上并非必需，而是可选的步骤。

步骤503，投影仪沿方向1向目标投射图像，而后照相机捕获投射的图像。

步骤504，投影仪沿方向2向目标投射图像，而后照相机捕获投射的图像。

步骤505，处理装置对方向1上的捕获图像数据进行处理，得到方向1的目标上所需像素点的相位包裹值。

步骤506，处理装置对方向2上的捕获图像数据进行处理，得到方向2的目标上所需像素点的相位包裹值。

步骤507，对得到的相位包裹值进行校准，也就是利用相位偏移校准表对得到的相位包裹值进行参考相位偏移校准。该步骤507中相位偏移校准表是预先确定的，具体确定方法将在下面的实施例中详述。

步骤508，根据相位偏移校准的结果实现包裹相位值的补偿。

步骤509，对补偿后的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到相位值。

步骤510，根据相位值计算目标的高度值。

下面将对以上对目标的3D形状进行检测的方法的一些步骤进行详细说明，以更清楚地阐述本发明。

现详述步骤502中所指出的网格拟合法。如图6所示，其表示根据本发明一较佳实施方式的利用网格拟合法对投影系统进行预先的光学投射图案校准，也就是关于以上步骤502的具体实现方式，该校准发生在测量步骤之前。由于投影仪的轴偏离的光引擎设计自身的缺陷，其发出的光通常是倾斜的，而本发明通过模拟该系统的光学模型来模拟实际投射光与理想网格之间的偏差，采用网格投射的方法对投影仪发出的光进行调制。与现有的光学投射后对投影仪进行调制的方法不同，本发明中的网格拟合法利用光学模型进行拟合，因而能够更加准确、方便地进行光学投射图案校准。

如图6左侧所示，光学模拟该投影系统的光学模型，投影仪发出的结构光投射到系统的标准平面上，投射的光的视场FOV例如为25mm×25mm，表示为如图6右侧所示的交叉符号的采样点例如可以为20×20，也可以是其他数值，例如30×30等，最大采样点为100×100。从图6中右侧可见，投影仪将具有采样点的光和理想网格投射到标准平面上的光为梯形，而非正方形，每个采样点也并未位于理想网格的每个格子中。为了消除轴偏离投射的光生成的图案的变形现象，即，使得投射的光为正投射，对投影仪发出的光进行调制。根据投影网格图案变形情况拟合，将投射的网格中的各个采样点的位置与理想网格中相对应的各个格子的位置相比较，根据比较得到的差异利用例如多阶非线性方程等方法拟合偏差系数，得到拟合函数。将拟合函数应用于由该投影系统产生的投影结构光图案，使得投射出的光在每个采样点能够与理想网格中相对应的每个格子基本完全重合，保证周期结构光图案投影后仍能具有相同的周期间隔。简单情况下，更可根据投射光条纹的方向只进行单一方向偏差拟合以提高拟合精度与效率。

利用网格拟合法投射正弦图案时，捕获的未校准的图案和已校准的图案分别如图7所示。从图7、8中可以看到，未校准的投射图案中一列的强度分布和已校准的投射图案中一列的强度分布相比，已校准的投射图案强度沿其角度分布得更加均匀。

由此可知，利用网格拟合法实现的光学投射图案校准十分简便，并且可产生足够高分辨率的采样点，所得到的校准后的投射图案的准确率也很高。

现详述步骤507中的相位偏移校准表的确定方法。生成相位偏移校准表的原因如下：理想情况下，在经过预先的光学投射图案校准后，得到的情况应该如图9的左侧所示，也就是两个投影仪投射的图案在相关的方向应当完全对称，不会发生失真，在两个方向的图案光是完全平行的，并且所有的校准后的图案光应当具有相同的周期。对于图9的左图中的点p而言，透射光方向1、2的投影仪投射的光的相位值和的关系理想情况下应该是其中为对投影仪1投射的图案光进行计算得到的相位值，为对投影仪2投射的图案光进行计算得到的相位值。

但实际情况远非如此理想，由于例如系统设置误差等问题，在两个方向投射之间产生了相位差(相位偏移)，如图9的右图所示，其中对于点p，相位值不相等，因而对于沿第一方向的相位值为无效相位值的像素，就需要将该像素处的沿第二方向的相位值对沿第一方向的相位值进行补偿，以得到沿第一方向的相位值。因而就需要通过一种补偿方法在考虑相位偏移的情况下通过第二方向的相位值计算得到沿第一方向的相位值。该补偿方法中需要使用相位偏移校准表。

该相位偏移校准表是在确定了投影系统中的投影仪和照相机之后、对目标进行投射之前，通过对参考平面进行投影和计算来生成。相位偏移校准表的原理如下所述。

实际上，在测量具体目标时，投影系统将两个方向的结构光投射到参考平面上的目标上。如图10所示，对于目标上的点p而言，首先计算根据第一方向1的投影仪照射图案计算p点的高度z₁，

其中，l₀表示投影仪与照相机所形成的平面与参考平面的距离，B表示投影仪与照相机之间的距离，f₀表示投影的条纹光的结构光栅的周期，为根据第一方向的投影仪照射的图案得到的测量物体上p点的相位值，为第一方向的投影仪照射到参考平面上时P点在参考平面上对应的相位值。

计算根据第二方向2的投影仪照射图案计算p点的高度z₂，

为根据第二方向的投影仪照射的图案得到的测量物体上p点的相位。上述关于z₁与z₂的公式与式(1)是有差别的，这是因为相对于距离z₁与z₂而言，的值很小，在计算中是可以忽略的。

由于理论上z₁与z₂应当相等，即z₁＝z₂，所以由此 进而p点处的校准值为因此可以看出，在p点处的校准值可以根据参考平面上各个点的相位值得到。

根据以上原理，分别计算第一方向和第二方向的投影仪在参考平面照射的图案中的各个像素处的相位值，根据得到的相位值即可生成相位偏移校准表，步骤如下。

第一步，在参考平面上投射校准的图案光；

第二步，在两个方向单独计算投射到参考平面的图案的相位值；

第三步，将每个像素在两个方向上的相位值分别记录在以下参考平面相位偏移校准表中，其中每个像素的校准值为如表1所示。

表1

该相位偏移校准表记录的值实际上为投影系统根据参考平面得到的投射的各个结构光在参考平面上的点的相位值，如果投影系统中投影仪超过两个，也就是结构光的方向超过两个，例如三个、四个等，则该相位偏移校准表中记录沿每个方向的相位值。其中该投影系统可以是已利用网格拟合法进行光学投射图案校准，也可以并未进行光学投射图案校准。在参考平面上的各个采样的像素点处都进行这样的计算和记录，由此得到整个参考平面的各个像素点的相位偏移校准表。

在进行光学投射图案的校准和相位偏移校准表的生成之后，该投影系统便可以进行目标的照射和高度计算。

将由投影仪分别沿方向1和2向目标投射结构光，用于在该目标与投影系统相对的表面上实现结构光的投影，其中该目标的上述表面相反的表面与投影仪的距离为在进行光学投射图案校准时参考平面与投影仪的距离。而后照相机捕获投射到目标的上述表面上的图像。其中，结构光为间隔的条纹光，经光学图案调制后的投影仪发出的两个方向中的光的条带在同一相位周期内平行，且调制后的每个方向投影仪发出的光条带在同一平面上具有相同的宽度间隔。

步骤503和504中，投影仪沿方向1、2分别向目标投射图像，而后照相机捕获投射的图像。具体方法如下。

投影仪向目标上照射多帧条纹光，从第1帧到第N帧，例如N＝4等，而后由照相机捕获投射的图像，得到每一帧光照射到图像上时，第i帧的条纹光在图像上的点(x，y)的光强I_i(x，y)。

步骤505和506中，处理装置对方向1、2上的捕获图像数据分别进行处理，分别得到方向1、2的目标上所需像素点的相位包裹值。

通过下式计算相位包裹值，其中点(x,y)的相位包裹值θ(x,y)为：

$\mathrm{\&theta;}(x,y)=\arctan \frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}$

其中I_i(x,y)表示第i(i＝1、2、3或4)帧相移图在点(x,y)的光强。

由此根据沿两个不同方向的结构光的图案和以上方式计算，得到在目标上的所需像素处的相位包裹值。在本发明中，使用四个光强值来计算点(x，y)的相位包裹值，但实际计算时，也可以使用三帧、五帧等其他数目的图案的光强值计算相位包裹值θ(x,y)，在此不再赘述。

同时，对沿两个方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置。

由于两个投影仪在投射方向的不同造成目标表面有反光、遮挡、黑影等区域，需要判断无效相位包裹值所在的像素位置。针对结构光图案的灰度值得到两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置的具体方法如下所述。首先将结构光图案变换为灰度图，使得目标上的结构光图案变成表示目标的纹理图案，这种变换方式是现有技术中已知的，在此不再赘述。同时，为了准确判断灰度变换情况，可以将结构光图案变换成多个纹理图案，例如亮度较高的图案、亮度较低的图案，优选地，可以变换为2个、3个、4个、5个，更优选地，可以变换为4个纹理图案。分析沿第一方向获取的每个像素的灰度值和/或亮度，如果某个像素的灰度值大于某一个预先给定的阈值或亮度值小于某一个预定的阈值，则该像素处例如为阴影区域，如果某个像素的灰度值小于某另外一个预先给定的阈值或亮度值大于某另外一个预定的阈值，则该像素处例如为反光区域，由此判定该像素处的相位包裹值为无效相位包裹值，也就是说，在该像素处沿第一方向的相位包裹值是不准确的。

如图18所示，采集到的被条纹光照射的图像，将其变换为具有不同整体灰度水平的灰度图，如图所示，将其分为两个物体灰度图以进行测量。对于灰度值较高而亮度值较低的图(如上方的测量物体灰度图所示)，对其光强情况进行分析，如果某区域光强(也就是亮度值)大于光强阈值1，则判定该区域为高反光区域。对于灰度值较低而亮度较高的图(如下方的测量物体灰度图所示)，如果某区域的(也就是亮度值)小于光强阈值2，则判定该区域为阴影区域。当然，不仅可以使用亮度值来进行图像的阴影区域、反光区域等异常区域的判断，也可以利用其它合适的值来判断，例如灰度值等，不限于上述。对于阈值的选择，可以根据经验或现有的阈值设定。例如，如果是选择光强阈值，则将光强可以设定最大光强阈值和/或最小光强阈值，该最大光强阈值和/或最小光强阈值可以是根据变换形成的整体灰度水平而判断并计算或由其他方式实现，阈值通过例如最大类间方差法、P参数法、最大熵阈值法等方法计算得出，也可以由操作者预先对阈值进行设定和输入。每个整体灰度不同的图可以具有不同的光强和/或灰度阈值水平。

如图11A-C中所示，分析它们的强度分布，由于阴影效应或测量物体本身材质的高反光特性，遮挡区域或反光区域的光强与其他区域有显著的不同，根据光强的变化可以在图像中划分出反光区域、阴影区域等无效相位值区域，其他光强在阈值范围为有效相位值区域。

如图11B中在两个方向上中的第一方向位置处的光强值小于预先设定的阈值，在该像素处，相应的位置对应的第一方向的相位包裹值定义为无效相位包裹值，因此点p为无效相位区域中的点。

该无效相位包裹值可以通过以下方式补偿。

步骤1101，确定投影仪1投射在目标上的图像的无效相位区域，具体方法如前面所述。

步骤1102，对于步骤1101中确定的无效相位区域中的点P，确定投影仪2投射在同一点处时的第二方向的相位包裹值。

步骤1103，确定是否存在相位界跃。在本实施例中，例如利用至少四点比较算法，各点位置分布如图11C所示，具体地，该算法为：

首先设置目标上的坐标为(x,y)的点沿第一方向的相位包裹值θ¹(x,y)表示为θ‘₀，将目标上的坐标为(x,y+1)，(x,y-1)，(x-1,y)，(x+1,y)的四个点沿第一方向的相位包裹值表示θ‘_i，θ‘₁为第(x-1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x-1，y)，θ‘₂为第(x+1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x+1，y)，θ‘₃为第(x，y-1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y-1)，θ‘₄为第(x，y+1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y+1)，

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)>相位阈值，

则

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)<-相位阈值，

则

否则

其中θ¹(x,y)表示沿第一方向的(x，y)点的相位包裹值，θ²(x,y)表示沿第二方向的(x，y)点的相位包裹值，以上两个参数已在步骤505和506中利用式(2)进行了计算。相位阈值为根据为选定的合适的值，例如选择(0-2π)之间的值，例如选择π为相位阈值。最理想状态为测量物体高度在条纹周期的测量范围之内。

经过以上计算可以得到所需像素点(x，y)的沿第一方向的相位包裹值θ¹。

步骤1104，根据得到的沿第一方向的相位包裹值θ¹(x,y)，得到已补偿的沿第一方向的所需像素点处的相位包裹值。对所有沿第一方向无效的像素点进行重复该步骤，可以得到已补偿的沿第一方向的所有无效像素点的相位包裹值。由已补偿的沿第一方向的所有无效像素点的相位包裹值和沿第一方向的有效像素点的相位包裹值组成了沿第一方向的各像素点的准确的相位包裹值。从而实现了如前述步骤508中的根据相位偏移校准的结果实现包裹相位值的补偿的过程。

此外，在对沿第一方向无效的相位包裹值进行计算的同时，可以如上所述的直接记录沿第一方向的有效像素点的相位包裹值已进行后续的解包裹的计算，也可以选择性地首先使用相位偏移校准表对第一方向的有效相位包裹值进行优化，以得到沿第一方向的更准确的相位包裹值，而后再对优化的相位包裹值进行记录和进一步的计算。

具体过程为，用如最小二乘法或加权优化等方法，参照相位偏移校准表对第一方向有效的相位包裹值与第二方向的相位包裹值进行计算，得到优化的第一方向的相位包裹值。

对于前述步骤509，对合并的沿第一方向的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到相位值。相位解包裹的公式如下：

其中N是相位解包裹的级数，例如是利用最小二乘法、路径积分法等方法计算得到的合适的级数。

与现有技术相比，由于仅需要对一个方向的相位包裹值进行解包裹处理即可，所以减少了计算的时间。

对于前述步骤510，根据相位值计算目标的高度值。目标上坐标为(x,y)的点p处的目标表面与参考平面的距离z(x,y)可以通过下式计算：

其中，投影仪与相机所形成的平面平行于参考平面，l₀表示投影仪与照相机所形成的平面与参考平面的距离，表示目标上坐标为(x，y)的点p沿第一方向的相位值和参考平面上坐标为(x，y)的点沿第一方向的相位之间的相位值的差，B表示投影仪与照相机之间的距离，f₀表示投射的条纹光的正弦光栅的周期。

上述步骤1101和1102中进行无效相位区域判定的步骤也表示在如图12所示的生成合并的相位值的流程图中。

步骤1201，选择投影仪，用于分别沿第一方向和第二方向投射多帧结构光到目标上，而后同时进行步骤1202和1203；

步骤1202，沿方向1投射已光学校准图案的结构光到目标上，并沿方向1捕获目标上的图案，转到步骤1204；

步骤1203，沿方向2投射已光学校准图案的结构光到目标上，并沿方向2捕获目标上的图案，转到步骤1208；

步骤1204，利用捕获的方向1的图案生成具有灰度纹理图像，并对该纹理图像进行分析获得目标上具有沿方向1的无效相位值的像素点的位置；虽然仅示出了两个纹理图像，但实际上也可以生成更多或更少的纹理图像以进行分析；

步骤1205，在进行步骤1204的同时，利用捕获的图案计算沿方向1的目标上各个像素点的相位值，其中目标上坐标为(x,y)的点p处的沿方向1的相位包裹值θ¹(x,y)为：

${\mathrm{\&theta;}}^1(x,y)=\arctan \frac{I_4^1(x,y)-I_2^1(x,y)}{I_1^1(x,y)-I_3^1(x,y)}$

其中I_i(x,y)表示沿第一方向形成的第i帧相移图在点(x,y)的光强i＝1，2，3或4，当然也可以用三帧、五帧图案的光强进行计算，从而测得最合适的相位包裹值；

步骤1206，根据获得的具有沿方向1的无效相位值的像素点的位置和各个像素的相位值计算有效相位分段和无效相位分段.；

步骤1207，判断某像素点是否是方向1的有效相位，如果是，转到步骤1208，如果否，转到步骤1211；

步骤1208，计算沿方向2的目标上各个像素点的相位包裹值，其中目标上坐标为(x,y)的点p处的沿方向2的相位包裹值θ²(x,y)为：

${\mathrm{\&theta;}}^2(x,y)=\arctan \frac{I_4^2(x,y)-I_2^2(x,y)}{I_1^2(x,y)-I_3^2(x,y)}$

其中I_i(x,y)表示沿第二方向形成的第i帧相移图在点(x,y)的光强，i＝1，2，3或4；

步骤1209，使第一方向和第二方向相位包裹值最优化，如用最小二乘法或加权优化等方法，参照相位偏移校准表对第一方向有效的相位包裹值与第二方向的相位包裹值进行计算，得到沿第一方向的有效相位包裹值的优选值，而后转到步骤1212；

步骤1210，进行参考相位偏移校准得到相位偏移校准表；

步骤1211，根据步骤1208得到的具有沿方向1的无效相位包裹值的像素点的位置处，利用沿方向2的相位包裹值和步骤1210得到的相位偏移校准表中该像素点处的参考相位偏移值进行第一方向的相位包裹值的补偿，得到无效区域的经补偿的相位包裹值；

步骤1212，将步骤1211中得到的第一方向的无效区域的经补偿后的相位包裹值与步骤1309中得到的优化的第一方向的有效区域的相位包裹值合并成为第一方向的有效区域和无效区域中所需像素点的相位包裹值；

步骤1213，进行相位解包裹处理，其中沿第一方向的相位值为 其中N表示相位解包裹的级数，θ¹(x,y)表示目标上坐标为(x,y)的点p处的相位包裹值；

步骤1214，计算高度。高度z(x,y)可以通过下式计算：

此外，投影系统中的投影仪和照相机的排列方式可以根据需要确定。如图13A-13C所示，从俯视的方向看，两个投影仪P1、P2与照相机可以以成直线的方式排列，或者以例如3个(P1、P2、P3)、4个(P1、P2、P3、P4)的多个投影仪围绕照相机的方式排列。此时，由于投影仪与照相机的位置不同，每个投影仪照射到目标上所得到的图像也是不同的。投影系统设置角度应当在图案校准的步骤中被考虑，因此每个投影仪的捕获图像具有均匀地周期分布。

并且在计算过程中，对三个、四个投影仪都进行光学图案校准，在计算相位偏移校准表的过程中对三个、四个方向的相位值都进行记录。在后续的补偿过程中，可以根据需要和投影仪的位置选择采用相位偏移校准表中哪个方向的值对第一方向的相位包裹值补偿。其他过程与两个投影仪的方式类似，在此不再赘述。

如图14所示，从俯视的方向看，两个投影仪与照相机可以以成钝角角度的方式排列，投影仪P2与投影仪P1所在直线所成的角度为θ。

这种成角度设置的检测系统进行校对的步骤及其所形成的结构光如图15A和15B所示。

对于投影仪P2与投影仪P1所在直线所成的角度θ小于90°的情况，首先示出了理想的正弦图案和具有任意角度的正弦图案，其中利用上面所述的光学校准参数进行光学图案校准，得到校准后的图案。其中投影仪P1投射的光的光强的计算方法如下：

I＝(1-sin(i/T*2*pi)/2*255)

其中T为每个条带的像素的数目，I表示光强度，i表示像素采样点的序号。

而投影仪P2投射的光的光强的计算方法为：

I’＝(1-sin((x-(j-i*tan(angle))+1)/T*2*pi))I/2*255；

其中angle表示投影仪P2与投影仪P1所在直线所成的角度，在图中表示为θ，T为每个条带的像素的数目，i表示像素采样点的序号，I’表示光强度，x表示所测量的点的横坐标，j表示所测量的点的纵坐标。

最终，无论投影仪位于什么方向，都可以实现照射到目标上的条纹光是基本相同的，例如都是正弦图案的。

在利用多于两个的投影仪进行计算时，生成所有方向的相位偏移校准表，计算每个像素沿每个方向的相位偏移值；计算沿所述至少两个不同方向获取的目标上所述结构光的图案，根据得到的图案计算沿所述每个方向的结构光的图案在目标上的各个像素处的相位包裹值。

在无效相位值所在区域的补偿过程中，在得到了沿第一方向的无效区域后，可以根据投影仪的角度判断是采用相位偏移校准表中其他方向中的哪个方向的值进行补偿。其可以是根据预先输入到系统中的参数进行合适的选择，在无效区域中照射效果最好的、尽量无阴影无反光的方向。

图16则示出了当投影仪与照相机如图14的方式排列时，两个投影仪照射到目标上的图像以及照相机的视场，其中该视场是P1的视场与P2的视场所重叠的区域。照相机可以使用两个不同的透镜，每个透镜捕捉一个投影的图案从而在两个投影图案之间匹配最佳的视场。此外，两个投影仪可以具有不同的投影视场。

图17则表示根据本发明一较佳实施方式的检测方法的简化流程图，简单地说包括以下步骤：

步骤1701，选择投影仪；

步骤1702，投影仪1沿方向1进行投射；

步骤1703，得到图像以计算相位包裹值1；

步骤1704，投影仪2沿方向2进行投射；

步骤1705，得到图像以计算相位包裹值2；

步骤1706，根据相位包裹值1和2以及在预先的相位偏移校准表，计算得到沿方向1的有效的相位包裹值1；

步骤1707，进行对相位包裹值1进行相位解包裹；

步骤1708，计算得到最终的高度值。

从图中可以清楚地看出，本发明在相位包裹的步骤后便进行了两个方向的相位包裹值的合并处理，得到一个方向的所有有效相位包裹值，然后仅对该一个方向的有效相位包裹值进行解包裹，将解包裹在一个步骤中完成，从而在保证计算准确度的前提下，减少了计算时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种对目标的3D形状进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤S1，将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上，沿所述至少两个不同方向获取被目标反射后形成的结构光图案，并计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；

步骤S2，对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；

步骤S3，利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对该第一方向的无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；

步骤S4，将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值，以计算目标上的所需像素处的深度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中得到所述至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置的步骤为：分析沿所述第一方向获取的每个像素的灰度值和/或亮度值，如果某个像素的灰度值或亮度值大于预先给定的第一阈值或小于预先给定的第二阈值，则判定该像素处的沿第一方向的相位包裹值为无效相位包裹值。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述校准处理包括以下步骤：

步骤S301，利用相位偏移校准表获得具有沿第一方向的无效相位包裹值的像素位置的第一方向的相位偏移值和作为补偿方向的第二方向的相位偏移值；

步骤S302，根据所述相位偏移值和沿第二方向的有效相位包裹值计算与沿第一方向的无效相位包裹值相对应的补偿相位包裹值；

步骤S303，利用所述补偿相位包裹值替换原来的无效相位包裹值，得到经补偿的无效相位包裹值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相位偏移校准表的获取方法包括以下步骤：

步骤S401，根据在至少两个不同方向的每个方向上单独捕获的参考平面上的结构光图案，计算沿每个方向捕获的结构光图案的所需像素处的相位包裹值，其中所述结构光是沿所述至少两个不同方向投射到参考平面上并由参考平面反射的结构光；

步骤S402，根据所述相位包裹值计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在参考平面上的所述所需像素处的相位值；

步骤S403，计算每个像素沿每个方向的相位偏移值；和

步骤S404，将每个像素沿每个方向的相位偏移值作为校准值并记录，获得相位偏移校准表。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S302中，将所述相位偏移值和有效相位包裹值相加或相减，得到与无效相位包裹值相对应的补偿相位包裹值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述步骤S1之前，对执行该方法的、具有投影仪和照相机的投影系统进行网格拟合法光学校准的步骤，其包括以下步骤：

步骤S501，光学模拟将投影仪的预定网格图案投影到预定平面上；

步骤S502，根据投射网格图案的变形情况拟合投影畸变的光学参数；

步骤S503，根据拟合的光学畸变参数对投影仪发出的光进行调制，以使得所述投影仪发出的光为正投影。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述投影仪为两个并沿两个方向投射间隔的条纹光，调制后的投影仪发出的两个方向中的光的条带在同一相位周期内平行，且调制后的每个方向投影仪发出的光条带在同一平面上具有相同的宽度间隔。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用至少四点比较算法计算步骤S2中的相位包裹值，计算方向如下：

首先设置目标上的坐标为(x,y)的点沿第一方向的相位包裹值θ¹(x,y)表示为θ‘₀，将目标上的坐标为(x,y+1)，(x,y-1)，(x-1,y)，(x+1,y)的四个点沿第一方向的相位包裹值表示θ‘_i，θ‘₁为第(x-1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x-1，y)，θ‘₂为第(x+1，y)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x+1，y)，θ‘₃为第(x，y-1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y-1)，θ‘₄为第(x，y+1)点的沿第一方向的相位包裹值θ(x，y+1)，

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)>相位阈值，

则

如果存在(θ‘₀-θ‘_i)<-相位阈值，

则

否则

其中θ¹(x,y)表示沿第一方向的(x，y)点的相位包裹值，θ²(x,y)表示沿第二方向的(x，y)点的相位包裹值，相位阈值为根据实际需要选定的合适的值。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中的计算目标上的所需像素处的深度值为：对该组合并的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到解包裹的相位值，根据解包裹的相位值计算目标上的所需像素处的深度值。

10.一种用于检测目标的3D形状的投影系统，其特征在于，包括以下组件：

至少两个投影仪，用于将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上；

照相机，用于获取所述结构光被目标反射后的结构光图案；

存储器；

处理器，根据照相机获取的结构光图案，计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对第一方向的该无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值，以计算目标上的所需像素处的深度值。

11.根据权利要求10所述的投影系统，其特征在于，所述计算目标上的所需像素处的深度值为：对该组合并的相位包裹值进行相位解包裹处理，得到解包裹的相位值，根据解包裹的相位值计算目标上的所需像素处的深度值。

12.一种相位偏移校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S601，根据在至少两个不同方向的每个方向上单独捕获的参考平面上的结构光图案，计算沿每个方向捕获的所述结构光图案的所需像素处的相位包裹值，其中所述结构光是沿所述至少两个不同方向投射到参考平面上并由参考平面反射的结构光；

步骤S602，根据所述相位包裹值计算沿所述至少两个不同方向的结构光在参考平面上的所述所需像素处的相位值；

步骤S603，计算每个像素沿每个方向的相位偏移值；和

步骤S604，将每个像素的沿每个方向的相位偏移值进行记录，获得相位偏移校准表，并在实际测量时根据相位偏移校准表对所需方向的无效相位值进行校准以补偿该无效相位值。

13.一种对目标的3D形状进行检测的系统，其特征在于，包括以下模块，

第一计算模块，其计算沿所述至少两个不同方向获取的被目标反射后形成的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；

分析模块，其对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析；

第二计算模块，其针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；

校准模块，其利用具有无效相位包裹值的像素沿作为补偿方向的第二方向的有效相位包裹值对该第一方向的无效相位包裹值进行校准处理，以补偿相位偏移，从而将该无效相位包裹值补偿为经补偿的无效相位包裹值；

合并模块，其将所需像素处沿所述第一方向的有效相位包裹值和经补偿的无效相位包裹值合并成一组合并的相位包裹值；

第三计算模块，其计算目标处的所需像素处的深度值。