CN108534714B - 基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，具体包括:利用计算机生成三幅正弦相移条纹图和一幅二进制条纹图；用投影仪将四幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用摄像机进行采集；先利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；利用二进制条纹图先对其做图像滤波预处理，对预处理后的图像做二值化处理，进行连通区域标记，接着做比较赋值运算，最后做相移编码加倍操作，得到所有像素点的条纹级次；最后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；三维重建，相位‑高度转换。本发明提出的方法只需使用四幅结构光条纹图就能进行相位求解与解包裹,可以在相同时间与测量精度的情况下完成更多次的测量，提高了三维测量速度。

Description

基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法。
背景技术
基于条纹投影的光学三维测量技术具有非接触性、效率高、精度高和自动化程度高等优点，是目前最有前景的三维测量方法。三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、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CCD2放在测量支架4上；DLP投影仪1、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CCD2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪1光轴和CCD2光轴相交于O点。DLP投影仪1和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，Δφ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。近年来高速、实时和高精度的三维测量在工业在线检测、虚拟现实、医学诊断、物体形变分析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正逐渐成为光学三维测量技术的发展的一个重要方向。因此，如何采用更少的投影条纹帧数来求解待测物绝对相位成为了突破口。传统测量方法中，通常需要大于等于六幅的条纹图像，才能实现绝对相位的测量，耗时长，直接影响测量速度。
本发明提出一种基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，此方法只需投影三帧正弦相移条纹图和一帧二进制条纹图，耗时短，可有效提高测量速度，适合需要高速、实时三维测量的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，此方法只需投影三帧正弦相移条纹图和一帧二进制条纹图，耗时短，可有效提高测量速度，适合需要高速、实时三维测量的场合。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，该方法包括下列步骤：(1)利用计算机生成三幅正弦相移条纹图和一幅二进制条纹图；(2)用投影仪将四幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用摄像机进行采集；(3)先利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；然后利用二进制条纹图，先对其做图像预处理，接下来对预处理后的图像做二值化处理，然后进行连通区域标记，最后做相移编码操作，就可以得到所有像素点的条纹级次；最后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；(4)三维重建，相位-高度转换。
步骤一、利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3和一幅二进制条纹图I4，并依此满足公式(1)、(2)、(3)和(4)：
I1(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx) (1)
I2(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+2π/3) (2)
I3(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+4π/3) (3)
I4(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)sign[cos(πTx)] (4)
公式(1)、(2)、(3)和(4)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)和I4(x,y)依次为条纹图I1、I2、I3和I4的光强，其中，I'(x,y)为图像直流分量，I”(x,y)为振幅，T为条纹图所包含的周期数。
步骤二、用投影仪将步骤一所生成的四幅条纹图I1、I2、I3和I4依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用摄像机进行采集，获得该四幅被待测物体调制的条纹图和其光强分布如下：
其中，α(x,y)为被测物表面反射率，β1(x,y)为被物体反射的环境光，β2(x,y)为直接进入摄像机的环境光。
步骤三、使用公式(9)求解出摄像机采集到的三幅正弦相移条纹图所包含的包裹相位φ(x,y)。
进一步，利用摄像机采集到的二进制条纹图先对其做图像滤波预处理，接下来使用公式(10)对预处理后的图像做二值化处理得到然后使用公式(11)对其进行连通区域标记得到初始标记值K(x,y)，接着使用公式(12)利用比较赋值运算将初始标记值K(x,y)处理后得到K1(x,y)，最后使用公式(13)、(14)对K1(x,y)做相移编码加倍操作，最终得到所有像素点的条纹级次K3(x,y)；最终使用公式(15)进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位Φ(x,y)；
K1(x,y)＝F[K(x,y)] (12)
其中，F[K(x,y)]表示，如果K(x,y)＝0且K(x,y-1)≠0，则赋值K(x,y)＝K(x,y-1)，
K2(x,y)＝shift[K1(x,y),p] (13)
K3(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y) (14)
其中，shift[K(x,y),p]表示将K(x,y)整体向左移动p个像素，p为一个条纹周期的像素数目，
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2π×K3(x,y) (15)
步骤四、三维重建，利用相位-高度公式(16)得到物体表面每一点的高度信息：
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，Δφ为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。d为DLP投影仪1和CCD2之间的距离，l0为DLP投影仪1和CCD2到参考平面的距离。
本发明的优点是：(1)与传统的正弦条纹投影方法相比：传统测量手段中，通常需要大于等于六幅条纹图像，才能实现绝对相位的测量，本方法只需分别投影三幅正弦条纹图和一幅二进制条纹图，提高了测量速度；(2)采用一幅二进制条纹图，先对其做图像滤波预处理，接下来对预处理后的图像做二值化处理，然后进行连通区域标记，接着做比较赋值运算，最后做相移编码加倍操作，就可以得到所有像素点的条纹级次；(3)由于投影条纹幅数少，测量速度快，本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。本发明提出的方法只需使用四幅结构光条纹图就能进行相位求解与解包裹,可以在相同时间与测量精度的情况下完成更多次的测量，提高了三维测量速度。本发明在动态物体的快速、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为本发明用于三维测量的测量系统示意图。
图2为本发明用于三维测量的流程示意图。
图3为本发明实施例中生成的四幅条纹图，其中图3(a)为条纹图I1，图3(b)为条纹图I2，图3(c)为条纹图I3，图3(d)为条纹图I4。
图4为本发明实施例中，用摄像机拍摄的被半球体调制后的条纹图像，其中图4(a)为图4(b)为图4(c)为图4(d)为
图5为本发明实施例中测量获得的结果，其中，图5(a)为求解的包裹相位，图5(b)为条纹级次K3，图5(c)为求解得到的绝对相位。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用于三维测量的光栅条纹相位求解方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。以下结合附图说明对本发明的实例作进一步详细描述，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。
结合图2流程图，本发明所述的一种基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，步骤如下：
步骤一、正弦相移条纹图和二进制条纹图生成：
利用计算机生成三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3和一幅二进制条纹图I4，并依此满足公式(1)、(2)、(3)和(4)，
I1(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx) (1)
I2(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+2π/3) (2)
I3(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+4π/3) (3)
I4(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)sign[cos(πTx)] (4)
公式(1)、(2)、(3)和(4)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)和I4(x,y)依次为条纹图I1、I2、I3和I4的光强，其中，I'(x,y)为图像直流分量，I”(x,y)为振幅，T为条纹图所包含的周期数；
步骤二、条纹图投影与图像采集：
用投影仪将步骤一所生成的四幅条纹图I1、I2、I3和I4依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用摄像机进行采集，获得该四幅被待测物体调制的条纹图和其光强分布如下：
其中，α(x,y)为被测物表面反射率，β1(x,y)为被物体反射的环境光，β2(x,y)为直接进入摄像机的环境光。
步骤三、包裹相位求解与相位解包裹：
使用公式(9)求解出摄像机采集到的三幅正弦相移条纹图 所包含的包裹相位φ(x,y)。
进一步，利用摄像机采集到的二进制条纹图先对其做图像滤波预处理，接下来使用公式(10)对预处理后的图像做二值化处理得到然后使用公式(11)对其进行连通区域标记得到初始标记值K(x,y)，接着使用公式(12)利用比较赋值运算将初始标记值K(x,y)处理后得到K1(x,y)，最后使用公式(13)、(14)对K1(x,y)做相移编码加倍操作，就可以得到所有像素点的条纹级次K3(x,y)；最终使用公式(15)进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位Φ(x,y)；
K1(x,y)＝F[K(x,y)] (12)
其中，F[K(x,y)]表示，如果K(x,y)＝0且K(x,y-1)≠0，则赋值K(x,y)＝K(x,y-1)，
K2(x,y)＝shift[K1(x,y),p] (13)
K3(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y) (14)
其中，shift[K(x,y),p]表示将K(x,y)整体向左移动p个像素，p为一个条纹周期的像素数目，
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2π×K3(x,y) (15)
步骤四、三维重建，相位高度转换：
利用相位-高度公式(16)得到物体表面每一点的高度信息：
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，Δφ为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。d为DLP投影仪1和CCD2之间的距离，l0为DLP投影仪1和CCD2到参考平面的距离。
本发明效果可以通过以下实验进一步说明：
首先利用计算机生成符合本发明步骤一所述的四幅条纹图，如图3所示，其中图3(a)为条纹图I1，图3(b)为条纹图I2，图3(c)为条纹图I3，图3(d)为条纹图I4。生成所述四幅光栅条纹时的参数设置为：图像直流分量I'(x,y)＝振幅I”(x,y)＝127.5，条纹周期数T＝18。
然后，根据本发明步骤二，利用投影仪将生成的四幅条纹图投影至待测物体表面，即半球体。用摄像机拍摄这些被半球体调制后的条纹图像，如图4所示，其中图4(a)为图4(b)为图4(c)为图4(d)为
最后，根据本发明步骤三所述的包裹相位求解与相位解包裹公式，求解绝对相位。如图5所示，其中，图5(a)为求解的包裹相位，图5(b)为条纹级次K3，图5(c)为求解得到的绝对相位。

Claims (4)

1.基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
利用计算机生成三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3和一幅二进制条纹图I4，其光学表达式分别为：
I1(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx) (1)
I2(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+2π/3) (2)
I3(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(2πTx+4π/3) (3)
I4(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)sgn[cos(πTx)] (4)
公式(1)、(2)、(3)和(4)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)和I4(x,y)依次为条纹图I1、I2、I3和I4的光强，其中，I'(x,y)为图像直流分量，I”(x,y)为振幅，T为条纹图所包含的周期数；
使用投影仪将生成的四幅条纹图投影到待测物表面，使用摄像机拍摄投影到物体的四幅条纹图；根据三幅正弦相移条纹图求得包裹相位、一幅二进制条纹图求得条纹级次，然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位。
2.如权利要求1所述基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于，绝对相位求解方法，投影到物体的四幅条纹图和的光强分布如下：
其中，α(x,y)为被测物表面反射率，β1(x,y)为被物体反射的环境光，β2(x,y)为直接进入摄像机的环境光。
3.如权利要求2所述基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于，绝对相位求解方法，包裹相位和条纹级次的求解方法分别如下所示：
使用公式(9)求解出摄像机采集到的三幅正弦相移条纹图 所包含的包裹相位φ(x,y)；
进一步，利用摄像机采集到的一幅二进制条纹图先对其做图像滤波预处理，接下来使用公式(10)对预处理后的图像做二值化处理得到然后使用公式(11)对其进行连通区域标记得到初始标记值K(x,y)，接着使用公式(12)利用比较赋值运算将初始标记值K(x,y)处理后得到K1(x,y)，最后使用公式(13)、(14)对K1(x,y)做相移编码加倍操作，就可以得到所有像素点的条纹级次K3(x,y)；
K1(x,y)＝F[K(x,y)] (12)
其中，F[K(x,y)]表示，如果K(x,y)＝0且K(x,y-1)≠0，则赋值K(x,y)＝K(x,y-1)，
K2(x,y)＝shift[K1(x,y),p] (13)
K3(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y) (14)
其中，shift[K(x,y),p]表示将K(x,y)整体向左移动p个像素，p为一个条纹周期的像素数目。
4.如权利要求3所述基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于，绝对相位求解方法，获得去包裹后绝对相位Φ(x,y)的方法如下式所示：
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2π×K3(x,y) (15)
其中，Φ(x,y)为φ(x,y)去包裹后的绝对相位。
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