CN109084701B - 一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法 - Google Patents

一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法，属于运动物体测量误差补偿领域。该方法首先搭建基于结构光的三维测量系统；利用该系统进行相机和投影仪的标定，获得相机和投影仪的内参数以及相机与投影仪的转换关系；令待测运动物体进行随机运动，投影仪依次投影三张高频相移正弦图案和若干张解包裹图案到待测运动物体表面，相机采集每张图案在待测运动物体表面对应的反射图案；对所有反射图案进行解码获得相位图；估计图中各像素点相位误差并进行补偿，获得补偿后的相位图；利用补偿后的相位图，通过三角测量最终获得待测运动物体补偿后的三维形状。本发明提高了对非匀速运动物体的测量误差补偿精度，可实现对运动物体的高精度测量。

Description

一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法
技术领域
本发明属于运动物体测量误差补偿领域，特别涉及一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法。
背景技术
基于结构光的三维测量是一种通过向待测物体投射编码图案，利用相机拍摄图案，进行解码获得坐标信息，从而计算待测物体三维形状的技术。该技术在逆向工程、工业检测、医疗服务等多个领域都有着十分广泛的应用。但是在某些待测物体相对测量系统发生运动的场景中，如生产线工件检测等，由于物体运动所产生的相位误差会使得测量结果出现误差，限制了基于结构光的三维测量的应用范围，因此需要研究运动物体测量误差补偿方法，提高运动物体测量精度，从而扩展基于结构光的三维测量的应用范围。
Weise等人于2007年提出一种运动物体测量误差补偿方法，该方法假设待测运动物体各点邻域平滑，使用线性拟合的方法估计各点的相位误差，从而对运动物体测量误差进行补偿。但是该方法假设物体进行匀速运动，没有充分考虑非匀速运动对相位误差的影响，同时在邻域范围内将相位误差看作常数，没有考虑相位误差的空间分布特性，对相位误差估计精度较低，导致运动物体测量误差补偿精度较低，因此需要研究一种高精度的运动物体测量误差补偿方法。
发明内容
本发明的目的是为克服现有方法存在的不足之处，提出一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法。本发明通过对相位误差进行独立估计，提高了对非匀速运动物体的测量误差补偿精度，同时考虑了相位误差的空间分布特性，从而进一步提高补偿精度，实现对运动物体的高精度测量。
本发明一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)搭建基于结构光的三维测量系统，包括：相机，投影仪，支架和计算机；所述相机和投影仪分别固定在支架上，相机和投影仪分别通过数据线与计算机连接；
2)利用步骤1)搭建的测量系统进行相机和投影仪的标定，分别获得相机的内参数和投影仪的内参数，以及相机与投影仪之间的转换关系；
3)令待测运动物体在测量系统工作范围内进行随机运动，利用测量系统中的投影仪依次投影三张高频相移正弦图案和N张解包裹图案到待测运动物体的表面，并由测量系统中的相机采集每张图案在待测运动物体表面对应的反射图案，共采集3+N张反射图案；
4)利用步骤3)采集到的所有反射图案进行解码获得相位图φf；
5)利用步骤4)得到的相位图φf估计图中各像素点的相位误差，并进行补偿，获得补偿后的相位图φt；
6)利用步骤5)得到的补偿后的相位图φt，通过三角测量获得待测运动物体补偿后的三维形状，补偿完毕。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明通过对相位误差进行独立估计，提高了对非匀速运动物体测量误差的补偿精度，同时在邻域线性拟合时考虑相位误差的空间分布特性，从而进一步提高了补偿精度。通过使用本发明方法，可以提高基于结构光的三维测量对于运动物体的测量精度，从而扩展了基于结构光的三维测量的应用场景和适用范围，使之可以用于如生产线工件检测等场景中。
附图说明
图1是本发明中基于结构光的三维测量系统结构示意图。
图中，11为相机，12为投影仪，13为支架，14为计算机。
具体实施方式
本发明提出一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。
本发明提出一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法，该方法包括以下步骤：
1)搭建基于结构光的三维测量系统，该系统结构如图1所示，包括：相机11，投影仪12，支架13和计算机14；其中相机11和投影仪12分别固定在支架13上，相机11和投影仪12分别通过数据线连接计算机14；工作时，所述投影仪用于投影编码图案(包括高频相移正弦图案和解包裹图案)，所述相机用于采集投影仪投射图案在待测运动物体表面对应的反射图案，所述支架用于固定相机与投影仪的位置，所述计算机用于分别控制投影仪投射图案和控制相机采集图案，并进行解码计算。。
该系统中所有部件均采用普通型号即可，本实施例中相机使用型号为JAIGO-5000M-USB，投影仪使用型号为DLPLightCrafter4500，支架为铝制支架，计算机使用型号为TPN-Q165。
2)利用步骤1)搭建的测量系统进行相机和投影仪的标定，分别获得相机的内参数和投影仪的内参数，以及相机与投影仪之间的转换关系；其标定结果用于计算校正畸变后的归一化相机图像坐标，以及三角测量计算待测物体的三维形状。
3)令待测运动物体(本实施例中待测运动物体为一块白色平板，尺寸为100mm*100mm)进行随机运动(该随机运动必须在测量系统工作范围内)，利用测量系统中的投影仪依次投影三张高频相移正弦图案和N张解包裹图案(N的取值由解包裹方法决定；本实施例中使用双频相移解包裹方法，则N＝3)到待测运动物体的表面，并由测量系统中的相机采集每张图案在待测运动物体表面对应的反射图案，共采集3+N张反射图案；
4)利用步骤3)采集到的所有反射图案进行解码获得相位图φf；
5)利用步骤4)得到的相位图φf估计图中各像素点的相位误差，并进行补偿，获得补偿后的相位图φt；
6)利用步骤5)得到的补偿后的相位图φt，通过三角测量获得待测运动物体补偿后的三维形状，补偿完毕。
所述步骤2)中相机与投影仪之间的转换关系应近似满足如下关系：
旋转矩阵cRp＝I3×3，平移向量ctp＝[t1 t2 0]T，
其中，I3×3表示3*3的单位矩阵，t1,t2为常数，通过标定获得。
所述步骤3)中三张高频相移正弦图案的灰度值分别满足如下表达式：
I1(u,v)＝I′+I″·cosφ(u,v)，
Figure BDA0001755355830000032
式中，I′为灰度值均值，I″为灰度值振幅，其数值均由使用者确定，取值范围应满足要求I′≥I″＞0,I′+I″＜255，Ii(u,v)为第i张高频相移正弦图案中坐标(u,v)的灰度值，i＝1,2,3，φ(u,v)为高频相移正弦图案中坐标(u,v)所对应的相位，φ(u,v)的数值由坐标u或者v决定，为一一对应的关系，三张高频相移正弦图案中φ(u,v)数值相同。
所述步骤4)中利用步骤3)采集到的所有反射图案进行解码获得相位图φf，解码方法为：计算相位图φf中每个坐标对应的未补偿相位，利用每个坐标的计算结果获得相位图φf；每个坐标对应的未补偿相位计算表达式如下：
Figure BDA0001755355830000041
式中φf(u,v)为相位图φf中坐标(u,v)对应的未补偿相位，g(u,v)为相位图φf中坐标(u,v)所对应的灰度差比例系数，
Figure BDA0001755355830000042
M(u,v)为根据相机所拍摄的解包裹图案进行解包裹获得的相位图φf中坐标(u,v)对应的绝对相位周期序数。
所述步骤5)具体步骤如下：
5-1)对相位图φf中每个坐标(u,v)，分别计算该坐标对应的第一相位误差系数L1(u,v)和第二相位误差系数L2(u,v)，表达式如下：
Figure BDA0001755355830000043
5-2)对相位图φf中每个坐标对应的像素点进行校正畸变，计算各像素点校正畸变后的归一化相机图像坐标X轴坐标
Figure BDA0001755355830000045
Y轴坐标
Figure BDA0001755355830000046
5-3)假设各像素点邻域附近可近似看作空间平面，则在各像素点邻域内补偿后的相位图φt与
Figure BDA0001755355830000047
满足如下关系：
Figure BDA0001755355830000048
式中，E(u,v),F(u,v),G(u,v)分别为坐标(u,v)对应的未知线性拟合系数，(u′,v′)为坐标(u,v)的邻域内的坐标。
坐标(u,v)所对应的相位误差φt(u′,v′)-φf(u′,v′)应满足关系：
φt(u′,v′)-φf(u′,v′)＝-(L1(u′,v′)Δθ1(u′,v′)+L2(u′,v′)Δθ2(u′,v′))，
其中，
Figure BDA00017553558300000410
式中A1(u,v),B1(u,v),C1(u,v),A2(u,v),B2(u,v),C2(u,v)为坐标(u,v)对应的未知参数。
5-4)在每个坐标(u,v)邻域使用最小二乘拟合方法估计该坐标对应的未知参数：
Figure BDA00017553558300000411
式中，
Figure BDA00017553558300000412
完成未知参数估计后，即可获得相位图φf中每个坐标(u,v)对应的补偿后的相位，表达式如下：
Figure BDA0001755355830000051
根据每个坐标补偿后的相位，即可得到补偿后的相位图φt。
此实施实例实现了基于结构光的三维测量的运动物体测量误差补偿方法，证明了本发明的可行性与实用性。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于结构光的运动物体测量误差补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)搭建基于结构光的三维测量系统，包括：相机，投影仪，支架和计算机；所述相机和投影仪分别固定在支架上，相机和投影仪分别通过数据线连接计算机；
2)利用步骤1)搭建的测量系统进行相机和投影仪的标定，分别获得相机的内参数和投影仪的内参数，以及相机与投影仪之间的转换关系；
3)令待测运动物体在测量系统工作范围内进行随机运动，利用测量系统中的投影仪依次投影三张高频相移正弦图案和N张解包裹图案到待测运动物体的表面，并由测量系统中的相机采集每张图案在待测运动物体表面对应的反射图案，共采集3+N张反射图案；
其中，三张高频相移正弦图案的灰度值分别满足如下表达式：
I1(u,v)＝I′+I″·cosφ(u,v)，
Figure FDA0002303714590000011
Figure FDA0002303714590000012
式中，I′为灰度值均值，I″为灰度值振幅，Ii(u,v)为第i张高频相移正弦图案中坐标(u,v)的灰度值，i＝1,2,3，φ(u,v)为高频相移正弦图案中坐标(u,v)所对应的相位；
4)利用步骤3)采集到的所有反射图案进行解码获得相位图φf；解码方法为：计算相位图φf中每个坐标对应的未补偿相位，利用每个坐标的计算结果获得相位图φf；每个坐标对应的未补偿相位计算表达式如下：
Figure FDA0002303714590000013
式中φf(u,v)为相位图φf中坐标(u,v)对应的未补偿相位，g(u,v)为相位图φf中坐标(u,v)所对应的灰度差比例系数，
Figure FDA0002303714590000014
M(u,v)为相位图φf中坐标(u,v)对应的绝对相位周期序数；
5)利用步骤4)得到的相位图φf估计该相位图中各像素点的相位误差，并进行补偿，获得补偿后的相位图φt；具体步骤如下：
5-1)对相位图φf中每个坐标(u,v)，分别计算该坐标对应的第一相位误差系数L1(u,v)和第二相位误差系数L2(u,v)，表达式如下：
Figure FDA0002303714590000021
Figure FDA0002303714590000022
5-2)对相位图φf中每个坐标对应的像素点进行校正畸变，计算各像素点校正畸变后的归一化相机图像坐标X轴坐标
Figure FDA0002303714590000023
Y轴坐标
Figure FDA0002303714590000024
5-3)在各像素点邻域内补偿后的相位图φt与
Figure FDA0002303714590000025
满足如下关系：
Figure FDA0002303714590000026
式中，E(u,v),F(u,v),G(u,v)分别为坐标(u,v)对应的未知线性拟合系数，(u′,v′)为坐标(u,v)的邻域内的坐标；
坐标(u,v)对应的相位误差φt(u′,v′)-φf(u′,v′)满足如下关系：
φt(u′,v′)-φf(u′,v′)＝-(L1(u′,v′)Δθ1(u′,v′)+L2(u′,v′)Δθ2(u′,v′))，
其中，
式中，A1(u,v),B1(u,v),C1(u,v),A2(u,v),B2(u,v),C2(u,v)为坐标(u,v)对应未知参数；
5-4)在每个坐标(u,v)邻域使用最小二乘拟合方法估计该坐标对应的未知参数：
式中，
Figure FDA00023037145900000210
完成未知参数估计后，得到相位图φf中每个坐标(u,v)对应的补偿后的相位：
Figure FDA00023037145900000211
根据每个坐标补偿后的相位，获得补偿后的相位图φt；
6)利用步骤5)得到的补偿后的相位图φt，通过三角测量获得待测运动物体补偿后的三维形状，补偿完毕。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110160468B (zh) * 2019-04-29 2020-12-29 东南大学 一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法
CN113358062B (zh) * 2021-05-31 2022-08-09 湖北工业大学 三维重建相位误差补偿方法
CN115290003B (zh) * 2022-08-02 2024-04-09 清华大学 一种结构光测量中的反射率边界补偿方法及装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313680B1 (ko) * 2011-10-12 2013-10-02 위드로봇 주식회사 외관 측정 시스템 및 그 방법
CN104833307A (zh) * 2015-04-14 2015-08-12 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种高帧率运动物体三维测量方法
CN105180904B (zh) * 2015-09-21 2017-12-26 大连理工大学 基于编码结构光的高速运动目标位姿测量方法
DE102016104729A1 (de) * 2016-03-15 2017-09-21 Connaught Electronics Ltd. Verfahren zur extrinsischen Kalibrierung einer Kamera, Rechenvorrichtung, Fahrerassistenzsystem sowie Kraftfahrzeug
CN106595502A (zh) * 2016-12-01 2017-04-26 广州亚思信息科技有限责任公司 一种基于结构光的运动补偿3d测量方法
CN108303041A (zh) * 2018-04-03 2018-07-20 哈尔滨福特威尔科技有限公司 一种三维测量装置及方法

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