CN107504919A - 基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光学三维数字成像技术领域，提供了一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法及装置，包括：采集包含被测物体信息的图像，并根据图像计算两个成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值；利用第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标；将n个候选空间三维点重投影到第二成像装置成像平面上，得到n个候选投影点，并插值出候选投影点的折叠相位值；以第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值为依据，从候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建；本发明提供的方法缩短了三维重建时间。
Description
技术领域
本发明属于光学三维数字成像技术领域，尤其涉及一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法及装置。
背景技术
三目三维成像系统是一种非接触式、全场测量的光学三维数字成像系统。该系统采用投影装置投影一组正弦光栅或准正弦光栅到物体表面，采用成像装置采集经物体表面面形调制后的条纹图，结合相移技术计算每一测量点的空间折叠相位值，之后直接利用折叠相位信息计算得到物体表面的三维信息。三目三维成像系统由于其高成像密度、高成像速度、高测量精度和高测量普适性而得到广泛应用。
随着三维成像和测量技术的快速发展，缩短测量时间和提高测量精度成为目前主要的研究方向。三维成像和测量过程主要包括:被测物体信息采集和信息处理两个过程。
被测物体信息采集过程主要指：投影装置投射一组正弦或准正弦条纹光到被测物体表面，并利用成像装置采集经被测物体表面调制后的条纹图。为了缩短该过程的测量时间，最有效的方法为减少投影和采集图像的数量。现有的利用相位三维成像技术在采集过程中通常投射一系列正弦条纹图和相对应的格雷码图或投射一系列正弦条纹图和散斑图，以上两个过程都需要投射除正弦条纹图以外的图像序列，这样明显会增加采集图像的数量，延长系统采集信息的时间。
信息处理过程主要指：利用采集到的被测物体的信息通过计算重建被测物体的三维信息。现有的重建三维信息技术主要是利用立体视觉的方法根据三角测量原理进行三维重建，该方法需要搜索两个成像装置之间的对应点，大大增加了计算复杂度和时间成本，显著降低了三维重建的效率。
发明内容
本发明提供一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法及装置，旨在解决投影采集和三维重建的整个过程中处理速度较慢，耗时较长的问题。
本发明提供了一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法，所述三维数字成像方法应用于三维成像系统，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述三维数字成像方法包括：
步骤S1，利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
步骤S2，利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
步骤S3，利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
步骤S4，将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
进一步地，相位映射公式为：
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin，公式中为所述第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
进一步地，所述步骤S2具体为：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π；将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π带入相位映射公式：
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
进一步地，所述步骤S3具体为：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再对得到的进行投影和加畸变计算，从而得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。
进一步地，所述步骤S4具体为：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
本发明还提供了一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像装置，所述三维数字成像装置应用于三维成像系统，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述三维数字成像装置包括：
第一折叠相位信息获取模块，用于利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
候选空间三维点坐标计算模块，用于利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
第二折叠相位信息获取模块，用于利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
正确空间三维点筛选模块，用于将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
进一步地，相位映射公式为：
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin，公式中为所述第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
进一步地，所述候选空间三维点坐标计算模块具体用于：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π；并用于将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π带入相位映射公式：
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
进一步地，所述第二折叠相位信息获取模块具体用于：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再对得到的进行投影和加畸变计算，从而得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。
进一步地，所述正确空间三维点筛选模块具体用于：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法及装置，在三目三维成像系统中，利用投影装置投射一组正弦条纹光到被测物体表面上，利用第一成像装置和第二成像装置分别采集经被测物体表面调制后的图案，并分别计算出两个成像装置成像平面上所有像素点的折叠相位值，利用第一成像装置成像平面上的折叠相位值带入相位映射公式直接计算出候选空间三维点，再经过筛选得到正确的空间三维点，从而得到被测物体的正确三维模型；本发明与现有技术相比，一方面，在三维成像测量系统采集被测物体信息的过程中，只需投影采集正弦条纹光而无需再投影其它编码图案，明显缩短了采集过程的时间；另一方面，在获取到被测物体信息之后，将信息处理并进行三维重建的过程中，利用相位映射的方法，直接通过折叠相位计算出被测物体的候选空间三维点，再经过简单筛选之后，快速得到最终的被测物体空间三维模型，实现了三维成像系统对被测物体的快速三维重建，避免了繁琐的对应点查找过程，极大地提升了三维重建的计算速度，节省了时间；满足高速、高精度、高普适性的三维数字成像和测量的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法的过程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法的流程示意图；
图3-1是本发明实施例提供的第一成像装置获取的被测物体模型计算得到的第一成像装置折叠相位分布图；
图3-2是本发明实施例提供的第二成像装置获取的被测物体模型计算得到的第二成像装置折叠相位分布图；
图4是本发明实施例提供的用筛选得到的正确空间三维坐标点组成的被测物体三维重建模型；
图5是本发明实施例提供的一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像装置的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的主要实现思想为：利用折叠相位结合相位映射的方法实现快速三维重建，在三目三维成像系统中，利用投影装置投射一组正弦条纹光到被测物体表面上，利用第一成像装置和第二成像装置分别采集经被测物体表面调制后的图案，并分别计算出两个成像装置成像平面上所有像素点的折叠相位值，利用第一成像装置成像平面上的折叠相位值带入相位映射公式直接计算出候选空间三维点，再经过筛选得到正确的空间三维点，从而得到被测物体的正确三维模型。
下面具体介绍这种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法，结合图1和图2所示。所述方法基于所述三维成像系统，所述三维成像系统为三目结构，包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述第一成像装置、第二成像装置和投影装置呈三角形排布。本发明实施例提供的三维成像系统中，成像装置为相机，投影装置为投影仪，图1中，第一成像装置位于投影装置的左上方位，第二成像装置位于投影仪的右上方位，被测物体置于所述第一成像装置和第二成像装置的视场和景深范围内；中间的投影仪作为投影装置投射正弦或准正弦条纹光系列到被测物体表面，第一成像装置和第二成像装置采集经被测物体表面面形调制后的条纹图。
在执行这种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法之前，会对所述三维成像系统进行标定，从而获取第一标定数据和第二标定数据，所述第一标定数据用于代入相位映射公式中，从而计算出被测物体在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点坐标的值Xn、Yn、Zn；所述第二标定数据中的R、T用于将被测物体的所述空间三维点坐标Xn、Yn、Zn转换到第二成像装置的坐标系中，所述第二标定数据中的内部固定参数用于去畸变。具体地，相位映射公式为：
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin；标定出多项式系数ai、bi、ci的值和折叠相位所在级次kn以便于计算Xn、Yn、Zn的值，上述公式中，φ为第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，kn为依据测量空间标定出的n个整数值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括第一成像装置与第二成像装置位置的空间刚体变换：旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
结合图1和图2所示，所述方法包括：
步骤S1，利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
具体地，所述投影仪投射一系列正弦或准正弦条纹光照射到被测物体表面，第一成像装置和第二成像装置同步采集被所述被测物体调制过的一系列条纹图像后，利用第一成像装置采集到的一系列条纹图像通过解相位计算得到被测物体被第一成像装置采集到的每个点的折叠相位值φl，由所述折叠相位值φl形成第一成像装置成像平面的第一折叠相位分布图；同理，利用第二成像装置采集到的一系列条纹图像通过解相位计算得到被测物体被第二成像装置采集到的每个点的折叠相位值φr，由所述折叠相位值φr形成第二成像装置成像平面的第二折叠相位分布图；本发明实施例提供的第一成像装置和第二成像装置获取的被测物体模型的第一成像装置折叠相位分布图IL和第二成像装置折叠相位分布图IR分别如图3-1、3-2所示。
进一步地，可以利用第一折叠相位分布图中的每个像素点的折叠相位值通过相位映射计算得到每个点在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点坐标；可以利用第二折叠相位分布图中的每个像素点的折叠相位值通过相位映射计算得到每个点在第二成像装置坐标系下的n个候选空间三维点坐标。
步骤S2，利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
需要说明的是，所述n个候选空间三维点为包含正确空间三维点的几个可能点的集合，后续步骤会利用一定的方法从中筛选出正确的空间三维点。
具体地，由图1可知，在三维成像系统中可以利用第一成像装置或第二成像装置采集并经计算得到的被测物体折叠相位分布图计算出被测物体的n个候选空间三维点坐标；若在此过程中是利用第一成像装置对应的第一折叠相位分布图，那么计算出的n个候选空间三维点坐标则要投影到第二成像装置对应的第二折叠相位分布图上作为候选投影点；若利用的是第二成像装置对应的第二折叠相位分布图，则被投影相机则为第一成像装置。在本发明实施例中，规定利用第一成像装置采集并计算得到的第一折叠相位分布图计算候选空间三维点坐标。
所述步骤S2具体为：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π；将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π带入相位映射公式：
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
步骤S3，利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
具体地，所述步骤S3中的重投影过程分为两步：第一步，将计算出的第一成像装置所对应的第一折叠相位分布图上每个像素点对应的n个候选空间三维点转换到第二成像装置坐标系中；第二步，将在第二成像装置坐标系中的所述候选空间三维点投影到第二成像装置成像平面上即第二成像装置所对应的第二折叠相位分布图。
所述步骤S3具体为：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，并结合与第二折叠相位分布图所在的平面的位置关系，将计算得到的所述候选空间三维点投影到第二折叠相位分布图所在的平面，得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标；对进行投影和加畸变计算得到第二成像装置成像平面的n个候选投影点的坐标
步骤S4，将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
所述步骤S4具体为：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
本发明提供的一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法，在三维成像系统投影采集过程中，只需投射正弦或准正弦图案，相对现有的技术减少了投影采集的图案副数，缩短了该过程的时间；在三维重建的过程中，只需要利用所获取并经计算得到的折叠相位值即可得到被测物体的初步三维模型，经过简单的筛选便可得到正确的三维模型，无需像现有立体成像技术一样进行复杂的对应点搜索，大大提升了三维重建的效率。
图4所示为本发明实施例提供的对被测物体的模型用本发明提供的方法重建的被测物体的三维数字图像。
本发明还提供了一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像装置，所述三维数字成像装置应用于三维成像系统，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，如图5所示，所述三维数字成像装置包括：第一折叠相位信息获取模块1、候选空间三维点坐标计算模块2、第二折叠相位信息获取模块3和正确空间三维点筛选模块4。
所述第一折叠相位信息获取模块1，用于利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
所述候选空间三维点坐标计算模块2，用于利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
相位映射公式为：
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin，公式中为所述第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
所述候选空间三维点坐标计算模块2具体用于：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π；并用于将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π带入相位映射公式：
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
所述第二折叠相位信息获取模块3，用于利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
所述第二折叠相位信息获取模块3具体用于：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再对得到的进行投影和加畸变计算，从而得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。
所述正确空间三维点筛选模块4，用于将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
所述正确空间三维点筛选模块4具体用于：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
本发明提供的一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像装置，在三维成像及测量投影采集过程中减少了投影和采集的次数，大大减少了该过程的时间；在三维成像计算过程中，没有使用像传统立体视觉的三角测量法，无需相位展开和对应点查找，极大地提升了三维重建的计算速度；投影采集时间和三维重建计算时间的缩短大大提升了三维成像及测量的整体效率，实现了三维成像系统对被测物体的快速三维重建；满足高速、高精度、高普适性的三维数字成像和测量的要求。
上述实施例方法中的全部或部分步骤是通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
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 (10)
1.一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像方法，其特征在于，所述三维数字成像方法应用于三维成像系统，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述三维数字成像方法包括：
步骤S1，利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
步骤S2，利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
步骤S3，利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
步骤S4，将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
2.如权利要求1所述的折叠相位三维数字成像方法，其特征在于，相位映射公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>X</mi>
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</mrow>
<mi>i</mi>
</msup>
</mrow>
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin，公式中为所述第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
3.如权利要求2所述的折叠相位三维数字成像方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值带入相位映射公式：
<mrow>
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<mi>X</mi>
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<mo>,</mo>
</mrow>
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
4.如权利要求1所述的折叠相位三维数字成像方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再对得到的进行投影和加畸变计算，从而得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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</mtr>
</mtable>
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<mi>T</mi>
</mrow>
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。
5.如权利要求1所述的折叠相位三维数字成像方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
6.一种基于相位映射的折叠相位三维数字成像装置，其特征在于，所述三维数字成像装置应用于三维成像系统，所述三维成像系统包括：第一成像装置、投影装置和第二成像装置，所述第一成像装置和所述第二成像装置位于所述投影装置的两侧，所述三维数字成像装置包括：
第一折叠相位信息获取模块，用于利用所述投影装置投影正弦条纹序列到被测物体表面，并利用所述第一成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl，得到由所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl组成的第一折叠相位分布图；并利用所述第二成像装置采集包含被测物体信息的图像，根据所述图像计算第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr，得到由所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr组成的第二折叠相位分布图；
候选空间三维点坐标计算模块，用于利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和预置的第一标定数据，用相位映射计算出每个像素点相对应的n个候选空间三维点的坐标；
第二折叠相位信息获取模块，用于利用预置的第二标定数据将所述第一成像装置成像平面上的每个像素点的n个候选空间三维点重投影到所述第二成像装置成像平面上，得到n个与所述候选空间三维点一一对应的候选投影点，并利用所述第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值出所述候选投影点的折叠相位值；
正确空间三维点筛选模块，用于将所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和与之对应的n个候选投影点的折叠相位值之间差值的绝对值与判定阈值比较，来从所述n个候选投影点一一对应的n个候选空间三维点中筛选出正确的空间三维点，实现三维数字重建。
7.如权利要求6所述的折叠相位三维数字成像装置，其特征在于，相位映射公式为：
<mrow>
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<mi>X</mi>
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<mi>i</mi>
</msup>
</mrow>
其中，多项式系数ai、bi、ci、kn的值为所述第一标定数据，所述第一标定数据还包括判定阈值φmin，公式中为所述第一成像装置成像平面上某个像素点的折叠相位值，Xn、Yn、Zn为计算出的与该像素点相对应的在第一成像装置坐标系下的n个候选空间三维点的坐标值；所述第二标定数据包括：第一成像装置和第二成像装置的内部固定参数，还包括旋转矩阵R、平移矩阵T，所述旋转矩阵R、平移矩阵T用于第一成像装置坐标系与第二成像装置坐标系之间的相互转换计算。
8.如权利要求7所述的折叠相位三维数字成像装置，其特征在于，所述候选空间三维点坐标计算模块具体用于：利用所述第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φl和所述第一标定数据kn，用相位计算公式计算出所述第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值并用于将计算出的第一成像装置成像平面上每个像素点对应的n个相位值φl+kn·2π带入相位映射公式：
<mrow>
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<mo>&Sigma;</mo>
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<mo>+</mo>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>i</mi>
</msup>
<mo>,</mo>
</mrow>
计算出第一成像装置成像平面上每个像素点相对应的n个候选空间三维点坐标Xn、Yn和Zn。
9.如权利要求6所述的折叠相位三维数字成像装置，其特征在于，所述第二折叠相位信息获取模块具体用于：将计算出的n个所述候选空间三维点坐标Xn、Yn、Zn利用所述旋转矩阵R、平移矩阵T转换到第二成像装置坐标系中，再对得到的进行投影和加畸变计算，从而得到与n个所述候选空间三维点相对应的n个候选投影点的坐标并依据第二成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值φr插值计算出n个所述候选投影点的折叠相位值具体公式为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mi>X</mi>
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<mfenced open = "[" close = "]">
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>+</mo>
<mi>T</mi>
</mrow>
xn_nor＝Xn_r/Zn_r
yn_nor＝Yn_r/Zn_r，
其中，Xn_r、Yn_r、Zn_r为所述n个候选空间三维点在第二成像装置坐标系中的三维点坐标。
10.如权利要求6所述的折叠相位三维数字成像装置，其特征在于，所述正确空间三维点筛选模块具体用于：根据第一成像装置成像平面上每个像素点的折叠相位值和计算出的该像素点的n个候选投影点的折叠相位结合公式：
求出φn，将φn即：φ1、φ2、φ3...φn与判定阈值φmin比较，若φ1到φn全部比阈值φmin大，则判定误差过大，第一成像装置成像平面上该像素点所对应的n个候选空间三维点中没有正确的空间三维点，做不存储处理；若φ1到φn只有一个比判定阈值φmin小，则判定该候选投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，做存储处理；若φ1到φn有两个或两个以上的值比判定阈值φmin小，则将比判定阈值φmin小的候选投影点做下一步判定，选择比判定阈值φmin小的候选投影点所对应的第一成像装置成像平面上像素点的周围1个像素范围内已经确定正确投影点像素的正确投影点记为标准投影点，判定比判定阈值φmin小的候选投影点中离所述标准投影点距离最近的候选投影点为正确投影点，所述正确投影点所对应的候选空间三维点为正确的空间三维点，存储所述正确的空间三维点。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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