CN107036556B - 基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，由分段量化相位编码原理、三维测量原理两大关键部分组成。本发明的优点是：(1)与传统的正弦条纹图加相位编码条纹图三维测量方法相比：传统方法单调有限地量化编码相位以产生唯一的码字，仅使用1位码字确定当前周期条纹级次；本方法通过特定的编码序列来调制量化编码相位，特定的编码规则使得解码的准确性得以大大提高；(2)该方法将调制后的量化编码相位嵌入到3幅编码条纹图中，并使用连续的3位码字确定当前周期条纹级次，极大地提高了条纹级次的准确性和三维测量精度；(3)根据实际测量需要,该方法可以产生较多的码字，测量精度高，鲁棒性好，在复杂物体较大物体、带有单一颜色物体的三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。

Description

基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维测量方法，尤其涉及分段量化相位编码的结构光投影三维测量方法。

背景技术

结构光投影轮廓术由于非接触、高精度、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、黑白CCD相机2、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和黑白CCD相机2放在测量支架4上；DLP投影仪1、黑白CCD相机2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，由黑白CCD相机2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光轴和黑白CCD相机2光轴相交于O点。DLP投影仪1和黑白 CCD相机2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l₀。被测物体6的高度计算公式为：

其中f₀为参考平面上的正弦条纹频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。

随着科技的发展，人们对光学的方式测量物体的三维数据要求不断提高，重建精度的要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，传统的基于相移的方法会出现2π跳变点，必须用解包裹算法进行解包裹得到绝对相位，之后才能进行三维重建。然而，对于有复杂外形或纹理的物体，如何快速、实时实现绝对相位的恢复依然是个巨大的挑战。

传统的相位编码方法需要两组条纹，一组是用于得到包裹相位的正弦条纹，另一组是用于得到条纹级次的相位编码条纹。当对N个周期的包裹相位进行解包裹时，需要嵌入N个码字到编码相位中。编码相位均匀分布在[-π,π]，被分成N个级别依次递增顺序排列，每个相位确定一个码字。然而，如果我们把编码相位设置成更多的级别用于产生更多的码字，因为系统的非线性影响，相邻编码相位的差异太小反而不能保证码字的正确识别。相反，如果减少码字的数量，意味着增大正弦条纹周期，这会产生更大的相位误差，导致测量精度降低。为了解决这个问题，有学者提出可以利用两组甚至多组相位编码条纹，产生更多的码字，提高测量精度。但是这却需要花费更多的时间，从而无法实现快速测量。因此，尽可能的增加码字，同时不增加投影条纹的帧数，成为快速、实时和高精度的三维测量的突破口。

本发明提出一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，此方法只需投射4幅正弦条纹图和3幅分段量化相位编码条纹图，可以产生比传统相位编码方法更多的码字，耗时短，从而提高测量精度，适合快速、实时三维测量的场合。除此之外，传统相位编码方法,仅使用1位码字确定条纹级次。而本发明用一种结合当前周期及其相邻周期的量化相位编码方法来确定条纹级次，提高识别准确性。

本发明所述的一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法正是在这一背景下提出的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，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，在测量精度上有明显提高，适合复杂物体的三维测量场合。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，该方法包括下列步骤：1)利用计算机生成4幅正弦相移条纹图和3幅分段量化相位编码条纹图； 2)使用投影仪将生成的7幅条纹图投影到待测物表面；3)使用相机拍摄经待测物体调制的7幅条纹图；4)根据拍摄得到的7幅条纹图分别求得截断相位和条纹级次；5)然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位。

步骤一、利用计算机生成4幅正弦相移条纹图和3幅分段量化相位编码条纹图：

1)编写正弦条纹：

实际测量通常采用四步相移法进行三维测量，则四幅正弦条纹图:

A_n(x,y)＝A'(x,y)+A”(x,y)cos[φ₁(x,y)+2πn/3] (n＝1,2,3,4)

其中，A'(x,y)是平均亮度，A”(x,y)是调制亮度，φ₁(x,y)是待求相位。生成A₁、A₂、A₃、A₄4幅正弦条纹图，如图2所示。

2)编写分段量化相位编码条纹：

为了产生这种量化相位编码条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小依次递增排序。例如我们把量化级别设置为M＝6(M为整数)。 3位码的奇数组合是‘135’,偶数组合是‘246’。然后把这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS:‘135246’。根据实际需要，可以把整个投影仪水平方向的像素分成N段(N为整数)，每段的量化编码相位都由编码序列CS调制得到。

把编码序列CS转化成量化编码相位可以用下式表示:

φ₂(x,y)＝CS[floor(x/p)]g2π/M

其中x为投影仪水平方向的像素点，y为投影仪垂直方向的像素点，p为一个条纹周期的像素数，M为量化级别，floor()为取整函数， CS[k]为计算得到编码序列CS的第k个码字。生成的量化编码相位如图3所示。

把量化编码相位嵌入三幅相位编码条纹中：

B_n(x,y)＝B'(x,y)+B”(x,y)cos[φ₂(x,y)+2πn/3] (n＝1,2,3)

其中，B'(x,y)是平均亮度，B”(x,y)是调制亮度，φ₂(x,y)是量化编码相位。生成B₁、B₂、B₃3幅分段量化相位编码条纹图，如图4所示。

步骤二和步骤三、DLP投影仪1将生成的7幅条纹图投影到待测物表面，然后用CCD相机2拍摄经待测物体调制的7幅条纹图:

用DLP投影仪1依次投射上述生成的正弦条纹图和量化相位编码条纹图于参考面和物体上，用CCD相机2采集这两组图片，将结果送入计算机中。

步骤四、根据拍摄得到的7幅条纹图分别求得截断相位和条纹级次：

根据步骤(三)采集到的步骤(一)的图片，由四步相移算法计算得到截断相位：

φ₁(x,y)＝tan^-1[(A₂-A₄)/(A₁-A₃)]

根据步骤(三)采集到的步骤(二)的图片，由三步相移法计算得到量化编码相位：

经取整运算后得到最终的量化编码相位码字：

C(x,y)＝round[Mφ₂(x,y)/2π]

条纹级次的识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

这些二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布。在编码序列 CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同的码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域。对于每个掩码L_i，使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域。从而唯一确定出具有代码 i和标记j的连通区域R_ij。在同一个连通区域R_ij内的所有点具有相同的条纹级次。所以，只要确定连通区域内质心点的条纹级次，那么，在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都可以确定。标记操作后，任意一个连通区域内的质心很容易可以求得，记为(x_ij,y_ij)。则该区域内的码字为C_current＝i。进一步求得区域R_ij内y_ij行的左端点和右端点则前一个连通区域的码字为后一个连通区域的码字为

最终，计算得到连续3位码字C_fo_rmerC_currentC_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次k。条纹级次k的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位。确定准则如图5所示。

步骤五、三维重建：

根据上述方法，通过解相位公式：

Φ＝φ₁+2kπ

进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和带物体的连续相位值β。

通过公式：

得到物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到物体表面每一点的高度信息。

本发明的优点是：

(1)与传统的正弦条纹图加相位编码条纹图三维测量方法相比：传统方法单调有限地量化编码相位以产生唯一的码字，仅使用1位码字确定当前周期条纹级次；本方法通过特定的编码序列CS来调制量化编码相位，特定的编码规则使得解码的准确性得以大大提高；

(2)该方法将调制后的量化编码相位嵌入到3幅编码条纹中，并使用连续的3位码字确定当前周期条纹级次，极大地提高了条纹级次的准确性和三维测量精度；

(3)根据实际测量需要,该方法可以产生较多的码字，测量精度高，鲁棒性好，在复杂物体较大物体、带有单一颜色物体的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为本发明的正弦条纹图

图3为本发明的量化编码相位图

图4为本发明的量化相位编码条纹图

图5为本发明的条纹级次k的确定准则

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施作进一步详细描述，但本实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。

基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，包括以下步骤： (一)编写正弦条纹

实际测量通常采用四步相移法进行三维测量，则四幅正弦条纹图:

A_n(x,y)＝A'(x,y)+A”(x,y)cos[φ₁(x,y)+2πn/3] (n＝1,2,3,4)

其中，A'(x,y)是平均亮度，A”(x,y)是调制亮度，φ₁(x,y)是待求相位。生成A₁、A₂、A₃、A₄4幅正弦条纹图，如图2所示。

(二)编写分段量化相位编码条纹

为了产生这种量化相位编码条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小依次递增排序。例如我们把量化级别设置为M＝6(M为整数)。 3位码的奇数组合是‘135’,偶数组合是‘246’。然后把这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS:‘135246’。根据实际需要，可以把整个投影仪水平方向的像素分成N段(N为整数)，每段的量化编码相位都由编码序列CS调制得到。

把编码序列CS转化成量化编码相位可以用下式表示:

φ₂(x,y)＝CS[floor(x/p)]g2π/M

其中x为投影仪水平方向的像素点，y为投影仪垂直方向的像素点，p为一个条纹周期的像素数，M为量化级别，floor()为取整函数， CS[k]为计算得到编码序列CS的第k个码字。生成的量化编码相位如图3所示。

把量化编码相位嵌入三幅相位编码条纹中：

B_n(x,y)＝B'(x,y)+B”(x,y)cos[φ₂(x,y)+2πn/3] (n＝1,2,3)

其中，B'(x,y)是平均亮度，B”(x,y)是调制亮度，φ₂(x,y)是量化编码相位。生成B₁、B₂、B₃3幅分段量化相位编码条纹图。如图4所示。

(三)采集图片

用DLP投影仪1依次投射上述生成的正弦条纹图和量化相位编码条纹图于参考面和物体上，用CCD相机2采集这两组图片，将结果送入计算机中。

(四)三维重建

根据步骤(三)采集到的步骤(一)的图片，由四步相移算法计算得到截断相位：

φ₁(x,y)＝tan-¹[(A₂-A₄)/(A₁-A₃)]

根据步骤(三)采集到的步骤(二)的图片，由三步相移法计算得到量化编码相位：

经取整运算后得到最终的量化编码相位码字：

C(x,y)＝round[Mφ₂(x,y)/2π]

条纹级次的识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

这些二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布。在编码序列 CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同的码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域。对于每个掩码L_i，使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域。从而唯一确定出具有代码 i和标记j的连通区域R_ij。在同一个连通区域R_ij内的所有点具有相同的条纹级次。所以，只要确定连通区域内质心点的条纹级次，那么，在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都可以确定。标记操作后，任意一个连通区域内的质心很容易可以求得，记为(x_ij,y_ij)。则该区域内的码字为C_current＝i。进一步求得区域R_ij内y_ij行的左端点和右端点则前一个连通区域的码字为后一个连通区域的码字为

最终，计算得到连续3位码字C_formerC_currentC_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次k。条纹级次k的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位。确定准则如图5所示。

根据上述方法，通过解相位公式：

Φ＝φ₁+2kπ

进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和带物体的连续相位值β。

通过公式：

得到物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到物体表面每一点的高度信息。

Claims (1)

1.一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，其特征是：包括以下步骤：

(一)编写正弦条纹，采用四步相移法进行三维测量，则四幅正弦条纹图:

A_n(x,y)＝A'(x,y)+A”(x,y)cos[φ₁(x,y)+π(n-1)/2](n＝1,2,3,4)

其中，A'(x,y)是平均亮度，A”(x,y)是调制亮度，φ₁(x,y)是待求相位，生成A₁、A₂、A₃、A₄四幅正弦条纹图；

(二)编写分段量化相位编码条纹，为了产生这种量化相位编码条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小依次递增排序，把量化级别设置为M＝6(M为整数)，3位码的奇数组合是‘135’，偶数组合是‘246’，把这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS:‘135246’，把整个投影仪水平方向的像素分成N段，N为整数，每段的量化编码相位都由编码序列CS调制得到；把编码序列CS转化成量化编码相位可以用下式表示:

φ₂(x,y)＝CS[floor(x/p)]g·2π/M

其中x为投影仪水平方向的像素点，p为一个周期的像素数,CS[k]为计算得到编码序列CS的第k个码字；

把量化编码相位嵌入三幅相位编码条纹中：

I_n(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ₂(x,y)+2πn/3](n＝1,2,3)

其中，I'(x,y)是平均亮度，I”(x,y)调制亮度,φ₂(x,y)是待求相位，生成I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)三幅量化相位编码条纹图；

(三)采集图片，用投影仪依次投射上述生成的正弦条纹和量化相位编码条纹于参考面和物体上，用CCD采集这两组图片，将结果送入计算机中；

(四)三维重建，根据(一)结果，由四步相移法计算得到截断相位：

φ₁(x,y)＝tan^-1[(I₂-I₄)/(I₁-I₃)]

根据(二)结果，由三步相移法计算得到量化编码相位：

经取整运算后得到最终的量化编码相位码字：

C(x,y)＝round[Mφ₂(x,y)/2π]

条纹级次的识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

所述二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布，在编码序列CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同的码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域，对于每个掩码Li，使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域，从而唯一确定出具有代码i和标记j的连通区域Rij，在同一个连通区域Rij内的所有点具有相同的条纹级次，只要确定连通区域内质心点的条纹级次，在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都可以确定，标记操作后，任意一个连通区域内的质心很容易可以求得，记为(x_ij,y_ij)，则该区域内的码字为C_current＝i，进一步求得Rij内yij行的左端点xijL和右端点xijR，则前一个连通区域的码字为后一个连通区域的码字为计算得到连续3位码字C_formerC_currentC_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次k，条纹级次k的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位，根据上述方法，通过解相位公式：Φ＝φ₁+2kπ；进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和带物体的连续相位值β，通过公式：得到物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到物体表面每一点的高度信息。