CN109186476A - 一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码编码四幅彩色条纹图案；通过DLP投影仪依次聚焦投影四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；通过彩色CCD相机获取参考平面上未被调制的及被测物体高度调制变形后的条纹图案；对两组条纹图案进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值；利用三角法求解被测物体表面三维高度信息。这样通过融合正弦相移编码、分段阶梯相位编码及格雷码的彩色复合编码的测量方法，利用三角原理，仅需四幅彩色图案即可实现三维测量，投影幅数少，处理速度快，抗干扰能力强，适合于静态场景下表面不连续物体的快速高精度三维测量。

Description

一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及三维光学测量领域，特别是涉及一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

目前，三维测量技术发展的主要方向包括飞行时间法、散斑干涉法、结构光条纹投影测量轮廓术等主动视觉技术，以及双目立体视觉、摄影测量等被动视觉技术。其中，结构光条纹投影测量轮廓术具有高速、高精度、全场无损耗测量及成本低等优点，已广泛应用于逆向工程、文物数字化、生物医疗、工业检测、虚拟现实等方面，成为三维测量领域的重要研究方向。结构光三维测量系统由相机、投影仪及计算机组成，在三维测量过程中，由投影装置把编码的条纹图案投影到被测物体表面，同时使用相机拍摄经被测物体高度调制而发生变形的条纹图像，然后通过对调制的条纹图像进行解调处理，得到反映物体高度的相位信息，最后根据相位信息和标定得到的系统参数，获得被测物体的三维信息。

彩色CCD(Charged Couple Device)成像和DLP(Digital Light Processing)投影系统的出现，为结构光三维成像系统提供了新的研究方向，即彩色结构光三维测量技术，一幅彩色图像包含红、绿、蓝三个颜色通道，可以作为编码条纹图的载体，彩色编码图案可比灰度编码图案包含更多的信息，因此基于彩色条纹编码结构光的三维测量可以减少对被测物体投射图案的幅数，极大提高了编码结构光三维测量的速度。

但是，基于灰度时间编码的结构光三维测量方法存在投影幅数多，测量速度慢等缺点，而投影幅数少的彩色编码测量方法中，基于彩色梯形相移加格雷码或者正弦相移加格雷码的方法在需要高的空间分辨率时，需投影的条纹图案数目增多，基于同样基色的彩色格雷码图案幅数也随着增加，且格雷码对应条纹级次判决变得困难，解码时较易出现周期错位等问题，导致测量精度降低。此外，利用阶梯相位编码辅助正弦相移条纹解包裹运算的测量方法中，由于传统阶梯相位编码嵌入到正弦相移条纹中只有一个循环周期，限制码字了个数，测量精度也因此受到限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质，投影幅数少，处理速度快，抗干扰能力强，适合于表面不连续物体的快速高精度三维测量。其具体方案如下：

一种彩色结构光三维测量方法，包括：

采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

通过DLP投影仪依次聚焦投影所述四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

通过彩色CCD相机获取所述参考平面上未被调制的第一组条纹图案及所述被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值；

根据所述被测物体的连续相位差值，利用三角法求解所述被测物体表面每一点的高度信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，采用正弦相移编码法编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

将四幅灰度正弦相移编码分别嵌入四幅彩色条纹图案的红色通道内，相移步距为π/2，形成四步相移的正弦相移条纹。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，采用分段阶梯相位编码法编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

分别对四幅彩色条纹图案的蓝色通道进行灰度级的编码，以生成阶梯相位相移图案；

将所述阶梯相位相移图案依次往编码方向移动π/2，形成四步相移的阶梯相位编码条纹；其中，所述阶梯相位编码条纹采用分段式阶梯相位编码，相邻两个分段阶梯的编码方向相反。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，采用格雷码编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

在第一幅和第三幅彩色条纹图案的绿色通道内进行相应的二值编码；

在第二幅和第四幅彩色条纹图案的绿色通道内进行格雷码取反的二值编码。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，在通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案进行解码处理之前，还包括：

对获取的两组所述条纹图案均进行颜色耦合及非线性误差校正。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值，具体包括：

对各所述条纹图案进行通道分离，利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次；

根据获取的所述分段阶梯相位级次，得到连续条纹级次；

根据得到的所述连续条纹级次，辅助获取的两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位进行解包裹运算，分别获得两组所述条纹图案中正弦相移条纹的绝对相位；

根据获得的两组所述绝对相位之间的差值，得到所述被测物体的连续相位差值。

优选地，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次，具体包括：

利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中红色通道的正弦相移条纹的包裹相位；

利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中蓝色通道的阶梯相位编码条纹的包裹相位，并量化求解对应的阶梯条纹级次；

分别对两组所述条纹图案中绿色通道的格雷码条纹进行解码，获取所述阶梯条纹级次对应的分段阶梯相位级次。

本发明实施例还提供了一种彩色结构光三维测量装置，包括：

图案编码模块，用于采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

图案投影模块，用于通过DLP投影仪依次聚焦投影所述四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

图案获取模块，用于通过彩色CCD相机获取所述参考平面上未被调制的第一组条纹图案及所述被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

图案解码模块，用于通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值；

高度求解模块，用于根据所述被测物体的连续相位差值，利用三角法求解所述被测物体表面每一点的高度信息。

本发明实施例还提供了一种彩色结构光三维测量设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；通过DLP投影仪依次聚焦投影四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；通过彩色CCD相机获取参考平面上未被调制的第一组条纹图案及被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案分别进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值；根据被测物体的连续相位差值，利用三角法求解被测物体表面每一点的高度信息。

本发明提出的彩色复合编码的新的三维测量方法，结合了正弦相移编码、分段阶梯相位编码及格雷码这三种时间编码的优点，仅需四幅彩色条纹图案即可实现三维测量，有效地减少了投射图案的数量，且处理速度较快，抗干扰能力强，适合于静态场景下表面不连续物体的快速高精度三维测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的彩色结构光三维测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的阶梯编码相位的示意图；

图3为本发明实施例提供的正弦相移条纹的包裹相位的示意图；

图4为本发明实施例提供的阶梯条纹级次的示意图；

图5为本发明实施例提供的格雷码条纹辅助阶梯相位编码条纹解码的示意图之一；

图6为本发明实施例提供的格雷码条纹辅助阶梯相位编码条纹解码的示意图之二；

图7为本发明实施例提供的正弦相移条纹各个周期与连续条纹级次一一对应的示意图；

图8为本发明实施例提供的绝对相位的示意图；

图9为本发明实施例提供的利用三角法求解高度信息的原理示意图；

图10为本发明实施例提供的彩色结构光三维测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种彩色结构光三维测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

S102、通过DLP(Digital Light Processing)投影仪依次聚焦投影四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

S103、通过彩色CCD(Charge Coupled Device)相机获取参考平面上未被调制的第一组条纹图案及被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

S104、通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案分别进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值；

S105、根据被测物体的连续相位差值，利用三角法求解被测物体表面每一点的高度信息。

需要说明的是，在参考平面不变的情况下，只需向参考平面投影一次，后续测量只需要向被测物体投影四幅图案即可，即有参考值后，仅需四幅图案即可完成三维测量。

在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，结合了正弦相移编码、分段阶梯相位编码及格雷码这三种时间编码的优点，仅需四幅彩色条纹图案即可实现三维测量，有效地减少了投射图案的数量，且处理速度较快，抗干扰能力强，适合于静态场景下表面不连续物体的快速高精度三维测量。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，步骤S101采用正弦相移编码法编码四幅彩色条纹图案，具体可以包括：将四幅灰度正弦相移编码分别嵌入四幅彩色条纹图案的红色通道内，相移步距为π/2，形成四步相移的正弦相移条纹。

具体地，将四幅灰度正弦相移编码分别嵌入四幅彩色条纹图像的红色通道内，相移步矩为π/2，如下式所示：

式中，I_iR(x,y)为正弦相移条纹光强度，下标i(＝1,2,3,4)表示第几幅彩色条纹图案，下标R为彩色条纹图案的蓝色通道，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制光强，为相位值。根据四步相移技术，正弦相移条纹的包裹相位可以求解如下：

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，步骤S101采用分段阶梯相位编码法编码四幅彩色条纹图案，具体可以包括：首先分别对四幅彩色条纹图案的蓝色通道进行灰度级的编码，以生成阶梯相位相移图案；然后将阶梯相位相移图案依次往编码方向移动π/2，形成四步相移的阶梯相位编码条纹；其中，阶梯相位编码条纹采用分段式阶梯相位编码，相邻两个分段阶梯的编码方向相反。

具体地，分别对四幅彩色条纹图案的蓝色通道进行灰度级的编码，以生成阶梯相位相移图案，每幅图案相同通道之间，阶梯相位相移图案依次往编码方向移动π/2，从而形成四步相移的阶梯相位编码条纹。其中，每幅阶梯编码采用分段式阶梯相位编码，即每幅阶梯编码包含4个分段阶梯，每个分段阶梯包含有8个子阶梯，即一幅条纹图总共包含32个子阶梯，每个分段阶梯相位编码条纹的相位平均分配于[-π,π]区间内，即分段阶梯中的每个子阶梯对应高度为2π/8。

需要注意的是，本发明为了提高阶梯相位解码精度，避免阶梯相位出现突变，采取相邻分段阶梯编码方向相反的方法，即分段阶梯由上升到下降或者由下降到上升，基于此，每幅图案蓝色通道内的各个像素点(x,y)的阶梯编码相位可表示为：

式中，floor[x]是对x向下取整，即不大于x的最大整数，mod(x,y)是x对y求余，N是一个分段阶梯中的子阶梯数，T是一个分段阶梯中的子阶梯包含的像素数。

将图2示出的阶梯编码相位编码到四步相移的正弦相移条纹中，并分别嵌入到四幅彩色条纹图案的蓝色通道内，得到对应的分段阶梯相位编码条纹图案：

式中，I_iB(x,y)为阶梯相位编码条纹光强度，下标i(＝1,2,3,4)表示第几幅彩色条纹图案，下标B为彩色条纹图案的蓝色通道，A(x,y)为环境光强度值，B(x,y)为光强度调制值，k(＝0,1,2,4)表示相移步数。

更进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，步骤S101采用格雷码编码四幅彩色条纹图案，具体可以包括：在第一幅和第三幅彩色条纹图案的绿色通道内进行相应的二值编码；在第二幅和第四幅彩色条纹图案的绿色通道内进行格雷码取反的二值编码。

具体地，利用格雷码将图案分为四个子区域，对应上述阶梯相位编码的四个分段阶梯，这只需要两幅格雷码图案即可达到，而本发明利用四幅彩色条纹图案完成对格雷码及其反码的编码，以此提高格雷码的求解精度，利用反码精确求解格雷码，避免传统格雷码由于阈值选取不当导致边界跳跃问题，在第一、三幅彩色条纹图案的绿色通道内进行相应的二值编码，然后在第二、四幅彩色条纹图案的绿色通道内进行格雷码取反的二值编码，具体编码原理如下所示：

格雷码编码表

格雷码幅数M与产生的码值数N的关系式为：

N＝2^M (5)

由上述编码原理形成的四幅彩色条纹图案中，条纹图案的分辨率为1280×800，正弦相移条纹单周期的像素数为40，条纹周期数为32，分段阶梯数为4，每个分段阶梯对应的子阶梯数为8，共32个阶梯，与正弦相移条纹周期一一对应，格雷码码值数为4，对应分段阶梯数。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，在执行步骤S104通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案进行解码处理之前，在执行步骤S103通过彩色CCD相机获取参考平面上未被调制的第一组条纹图案及被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案之后，还可以包括：对获取的两组条纹图案均进行颜色耦合及非线性误差校正。在实际应用中，本发明对颜色耦合采用的补偿方法可以是矩阵系数法，在此不做赘述。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量方法中，步骤S104通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案分别进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值，具体可以包括以下步骤：

步骤一、对各条纹图案进行通道分离，利用四步相移法分别获取两组条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次；

步骤二、根据获取的分段阶梯相位级次，得到连续条纹级次；

步骤三、根据得到的连续条纹级次，辅助获取的两组条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位进行解包裹运算，分别获得两组条纹图案中正弦相移条纹的绝对相位；

步骤四、根据获得的两组绝对相位之间的差值，得到被测物体的连续相位差值。

关于步骤一至步骤四的详细步骤如下文描述：

上述步骤一利用四步相移法分别获取两组条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次，具体可以包括以下步骤：

第一步、利用四步相移法分别获取两组条纹图案中红色通道的正弦相移条纹的包裹相位；

具体地，使用四步相移法获取正弦相移条纹的包裹相位，如下式：

式中，arctan()表示进行反正切计算，I_iR(x,y)(i＝1,2,3,4)为采集的四幅彩色条纹图案中红色通道内的光强度。由于使用了反正切函数，求解的相位包裹在(0,2π]之间。图3示出了计算出的包裹相位。需要说明的是，对求出的保裹相位可以进行非线性误差补偿，采用的方法可以为查找表法(Look up Table)，在此不做赘述。

第二步、利用四步相移法分别获取两组条纹图案中蓝色通道的阶梯相位编码条纹的包裹相位，并量化求解对应的阶梯条纹级次；

具体地，使用四步相移法获取阶梯相位编码条纹的包裹相位，如下式：

式中，arctan()表示进行反正切计算，I_iB(x,y)(i＝1,2,3,4)为采集的四幅彩色条纹图案中蓝色通道内的光强度。由于使用了反正切函数，求解的相位包裹在(0,2π]之间。需要说明的是，对求出的保裹相位可以进行非线性误差补偿，采用的方法可以为查找表法(Look up Table)，在此不做赘述。

由于计算出来的阶梯相位是小数，要将其量化成整数，得到正弦相移条纹周期级次一一对应的子阶梯条纹级次k₀，从而辅助其进行相位解包裹。量化公式如下：

式中，round()表示四舍五入取整运算，min()和max()分别为阶梯相位的最小值和最大值，N为一个分段阶梯包含的子阶梯数。图4示出了计算出的阶梯条纹级次。

第三步、分别对两组条纹图案中绿色通道的格雷码条纹进行解码，获取阶梯条纹级次对应的分段阶梯相位级次。

具体地，如图4所示，阶梯条纹级次k₀(x,y)被分成了4段，为了得到连续的阶梯条纹级次，将阶梯条纹级次与包裹相位的周期一一对应，还要将其连接成连续条纹级次。对四幅彩色条纹图案绿色通道中的格雷码编码进行解码，即可获取阶梯条纹级次对应的分段阶梯相位级次。格雷码码值对应的分段阶梯相位级次k₁求解公式如下：

式中，G_i为格雷码值，B_i为格雷码对应的二值码，下标i为第几幅彩色条纹图案，为异或运算。

由此，上述步骤二中，可以根据分段阶梯相位级次k₁求解连续条纹级次k，公式如下：

k＝k₀+k₁*8 (11)

图5和图6分别示出了格雷码辅助阶梯条纹解码的示意图；图7示出了正弦相移条纹各个周期与连续阶梯条纹级次一一对应的示意图。

上述步骤三中，根据得到的连续条纹级次，辅助获取的两组条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位进行解包裹运算，最终可以根据式(12)即可获得绝对相位，图8示出了获得的绝对相位的示意图：

可以理解为，根据求解的格雷码和阶梯相位编码的码值联合求解正弦相移条纹的绝对相位；

上述步骤四中，设α(x,y)为由参考平面上未经物体调制的条纹求解出的绝对相位，β(x,y)为由经过物体调制后的条纹求解出的绝对相位，得到两者的差值即物体连续相位差为

根据系统标定的数据，如图9所示，利用三角法求解物体表面每一点的高度信息，最终物体表面高度信息的求解表达式为：

式中，L为相机光心与参考平面的垂直距离，D₀为相机光心与投影仪光心的距离，T为一周期2π对应的距离。

需要注意的是，本发明综合格雷码和分段阶梯相位编码的优点，把三种编码融合到彩色图案中，利用格雷码辅助分段阶梯相位编码求解连续阶梯级次，最终辅助正弦条纹求解绝对相位，实现真正意义上各像素点的独立解码，且本发明采用格雷码反码进行辅助解码，可实现高精度的格雷码解码，测量精度有所保证，适用于表面不连续物体的快速高精度测量。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种彩色结构光三维测量装置，由于该彩色结构光三维测量装置解决问题的原理与前述一种彩色结构光三维测量方法相似，因此该彩色结构光三维测量装置的实施可以参见彩色结构光三维测量方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的彩色结构光三维测量装置，如图10所示，具体包括：

图案编码模块11，用于采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

图案投影模块12，用于通过DLP投影仪依次聚焦投影四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

图案获取模块13，用于通过彩色CCD相机获取参考平面上未被调制的第一组条纹图案及被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

图案解码模块14，用于通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案分别进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值；

高度求解模块15，用于根据被测物体的连续相位差值，利用三角法求解被测物体表面每一点的高度信息。

在本发明实施例提供的上述彩色结构光三维测量装置中，可以通过上述四个模块的相互作用，结合了正弦相移编码、分段阶梯相位编码及格雷码这三种时间编码的优点，仅需四幅彩色条纹图案即可实现三维测量，有效地减少了投射图案的数量，且处理速度较快，抗干扰能力强，适合于静态场景下表面不连续物体的快速高精度三维测量。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

相应的，本发明实施例还公开了一种彩色结构光三维测量设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的彩色结构光三维测量方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的彩色结构光三维测量方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

综上，本发明实施例提供的一种彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；通过DLP投影仪依次聚焦投影四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；通过彩色CCD相机获取参考平面上未被调制的第一组条纹图案及被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组条纹图案分别进行解码处理，得到被测物体的连续相位差值；根据被测物体的连续相位差值，利用三角法求解被测物体表面每一点的高度信息。本发明提出融合正弦相移编码、分段阶梯相位编码及格雷码的彩色复合编码的新的三维测量方法，利用三角原理，仅需四幅彩色条纹图案即可实现三维测量，投影幅数少，且处理速度较快，抗干扰能力强，适合于静态场景下表面不连续物体的快速高精度三维测量。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的彩色结构光三维测量方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种彩色结构光三维测量方法，其特征在于，包括：

采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

通过DLP投影仪依次聚焦投影所述四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

通过彩色CCD相机获取所述参考平面上未被调制的第一组条纹图案及所述被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值；

根据所述被测物体的连续相位差值，利用三角法求解所述被测物体表面每一点的高度信息。

2.根据权利要求1所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，采用正弦相移编码法编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

将四幅灰度正弦相移编码分别嵌入四幅彩色条纹图案的红色通道内，相移步距为π/2，形成四步相移的正弦相移条纹。

3.根据权利要求2所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，采用分段阶梯相位编码法编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

分别对四幅彩色条纹图案的蓝色通道进行灰度级的编码，以生成阶梯相位相移图案；

将所述阶梯相位相移图案依次往编码方向移动π/2，形成四步相移的阶梯相位编码条纹；其中，所述阶梯相位编码条纹采用分段式阶梯相位编码，相邻两个分段阶梯的编码方向相反。

4.根据权利要求3所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，采用格雷码编码四幅彩色条纹图案，具体包括：

在第一幅和第三幅彩色条纹图案的绿色通道内进行相应的二值编码；

在第二幅和第四幅彩色条纹图案的绿色通道内进行格雷码取反的二值编码。

5.根据权利要求4所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，在通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案进行解码处理之前，还包括：

对获取的两组所述条纹图案均进行颜色耦合及非线性误差校正。

6.根据权利要求5所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值，具体包括：

对各所述条纹图案进行通道分离，利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次；

根据获取的所述分段阶梯相位级次，得到连续条纹级次；

根据得到的所述连续条纹级次，辅助获取的两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位进行解包裹运算，分别获得两组所述条纹图案中正弦相移条纹的绝对相位；

根据获得的两组所述绝对相位之间的差值，得到所述被测物体的连续相位差值。

7.根据权利要求6所述的彩色结构光三维测量方法，其特征在于，利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中正弦相移条纹的包裹相位，以及阶梯相位编码条纹的包裹相位和分段阶梯相位级次，具体包括：

利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中红色通道的正弦相移条纹的包裹相位；

利用四步相移法分别获取两组所述条纹图案中蓝色通道的阶梯相位编码条纹的包裹相位，并量化求解对应的阶梯条纹级次；

分别对两组所述条纹图案中绿色通道的格雷码条纹进行解码，获取所述阶梯条纹级次对应的分段阶梯相位级次。

8.一种彩色结构光三维测量装置，其特征在于，包括：

图案编码模块，用于采用正弦相移编码法、分段阶梯相位编码法、格雷码三种时间编码方法编码四幅彩色条纹图案；

图案投影模块，用于通过DLP投影仪依次聚焦投影所述四幅彩色条纹图案于参考平面和被测物体上；

图案获取模块，用于通过彩色CCD相机获取所述参考平面上未被调制的第一组条纹图案及所述被测物体高度调制变形后的第二组条纹图案；

图案解码模块，用于通过阶梯相位编码条纹及格雷码条纹辅助正弦相移条纹对获取的两组所述条纹图案分别进行解码处理，得到所述被测物体的连续相位差值；

高度求解模块，用于根据所述被测物体的连续相位差值，利用三角法求解所述被测物体表面每一点的高度信息。

9.一种彩色结构光三维测量设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的彩色结构光三维测量方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的彩色结构光三维测量方法。