CN109297435A - 一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，该方法包括以下步骤：投影彩色R\G\B单通道数字光栅、进行R\G\B通道标定，计算相应通道的串扰系数、投影RGB混合通道彩色数字光栅、采集图像、获得相位信息和重建三维形貌。相比于传统的彩色数字光栅多投影了一张相位差半个周期的同频图像，该方法通过将高、中、低三个频率，相位差2π/3的数字光栅压制在RGB三通道中生成高、中、低频彩色条纹图，又将其中的高频相位偏移设置为π/3另外生成一幅彩色条纹图，利用信号半个周期抵消原理可以有效地抑制和修正非线性误差。在保证数字光栅三维测量中本身的精度和优点下，投影更少的图片，同时还对投影仪不可避免的Gamma误差进行消除。本发明方法由一个彩色图像中可以提取多个条纹，并且利用半周期反向补偿法抵消非线性误差，有效地提高了三维测量的速度，可以应用于快速三维测量领域。

Description

一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法
技术领域
本发明涉及在光学三维形貌测量、重建、结构光技术。本发明涉及一种数字光栅测量中的误差补偿方法，更进一步，涉及一种基于反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法。
背景技术
随着科技的进步，高精度的三维测量技术需求越来越大。三维重建技术是三维测量技术的延伸，通过一定的方法获取目标物体的三维形貌信息，并通过一定的算法处理，重建物体的三维轮廓。
传统结构光三维重建技术通常需要对待测物体投射多幅编码条纹图像，进而才能获得足够的三维形貌信息。彩色光栅编码条纹是复合条纹技术的一种。利用红、绿、蓝等颜色通道，向被测物体投影彩色条纹图，从而获得物体的三维信息。相比传统黑白条纹或者单颜色通道投影技术，彩色条纹投影技术由于每个颜色通道都可以独立进行相位计算，信息量大，采集速度快。其中基于红绿蓝三个颜色的复合条纹图，实现对物体三维形貌和纹理的快速测量逐渐成为重建领域的研究热门。
存在的问题：在面结构光三维测量实际应用中，能否从采集的条纹光栅图像中解出准确的相位信息直接关系着三维测量和重建精度。而采用的投影条纹的图片数量又直接影响到三维重建的快速性和实时性。彩色复合条纹技术在实际应用中存在有许多技术问题需要解决。为了覆盖所有的光谱范围,投影和成像系统颜色通道间存在着串扰,从而改变了条纹的形状,最终影响三维数据测量的精度。为获得被测物体的三维形貌，传统黑白条纹必须投影大量条纹图，而且受到投影仪Gamma误差的影响，往往不能得到真实的三维信息，或者直接获得带有大量“水波纹”的错误的三维形貌。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法。该方法能够使基于面结构光三维测量过程中，抵消相位解算过程中的非线性误差，避免相位波动得到正确的相位信息。采用更少的投影图片获得足够的三维形貌信息，保证三维重建过程中的精度和效率兼顾。
本发明的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：将高、中、低(P1、P2、P3)三个频率，相位差2π/3的相移条纹分别压制在R\G\B三个通道中。选择高频率组的三个通道条纹图投影于白色平面，分别采集R\G\B三个通道图像；
步骤2：根据步骤1中采集的图像进行通道分离，P1组分别分离到R\G\B三个通道中，得到9张单通道图像，进行串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b；
步骤3：将频率为P1、P2、P3且相位差2π/3的相移条纹压制在RGB混合通道中(投影图像1、投影图像2、投影图像3)。取高频(P1)组条纹进行半个周期π/3的相位偏移，再次压制在RGB通道中(投影图像4)。至此，完成彩色光栅条纹编码，即得到4幅彩色编码投影图像；
步骤4：将投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4分别通过投影仪投影到物体表面，并通过彩色相机采集图像，获得采集图像1、采集图像2、采集图像3和采集图像4；
步骤5：根据步骤4中采集得到的4幅彩色图像，分别进行R\G\B通道分离，获得4*3＝12幅黑白图像，根据所求的串扰系数a和b对各图像的强度补偿；
步骤6：根据步骤2中计算的串扰系数a、b对步骤5中分离通道获得的12幅图像进行光强和补偿。通过由采集图像1和采集图像4分离而得的2*3＝6幅图像进行反向抵消非线性误差计算，得到补偿过后的高频(P1)包裹相位PHI_1；
步骤7：根据步骤6中计算的包裹相位PHI_1,结合中频(P2)、低频(P3)得到的包裹相位PHI_2和PHI_3进行相位展开即可得到绝对相位，进而重建三维形貌。
进一步，其中步骤1中，所述的高、中、低三个频率应取值合理，尽量取成倍频率值。所述的三步相移条纹中各通道调制的投影光栅的光强值应满足：IR>IG＝IB；
进一步，其中步骤2中，所述串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b通过下列(1)至(3)式求得：
I″(x,y)＝[3(I1-I3)2+(2I2-I1-I3)2]1/2 (1)
a＝I″R-r/I″R-g (2)
b＝I″G-r/I″G-g (3)
其I″为调制光强值，I1、I2和I3分别为三步相移分别对应的光强值；
I″R-r和I″R-g分别为采集的红色图像分别在R通道和G通道的光强值；
I″G-r和I″G-g分别为采集的绿色图像分别在R通道和G通道的光强值；
进一步，其中根据串扰系数a和b进行各图像的强度补偿，由下列(4)至(6)式求得：
Ibc(x,y)＝Ib(x,y)+c(6)
其中，Ir、Ig、Ib分别为各通道的光强值，Irc、Igc、Ibc分别为补偿后的R\G\B通道的光强，c为光强偏置(保证补偿后的光强值在0—255)；
进一步，其中步骤6中高频(P1)包裹相位由下列(7)至(9)式求得：
其中，I1、I2、I3和I4、I5、I6分别为采集的高频无偏移和偏移π/3的彩色条纹光栅分别在R\G\B三个通道的光强值；
PHI_1_a为无偏移的高频包裹相位；PHI_1_b为π/3偏移的高频包裹相位；
(PHI_1_a＞PHI_1_b)表示当：PHI_1_a＞PHI_1_b时取1，否则为0；
进一步，其中该补偿算法仅对最高频率的相位主值进行全场非线性误差补偿，并在之后的相位解包裹时以PHI_1为基准；
进一步，其中步骤7中高频(P1)包裹相位已得到补偿，在解绝对相位的过程中，应该以PHI_1为基准来展开相位，由下列(10)至(13)式得：
其中，PHI_2和PHI_3分别为P2、P3对应的包裹相位；
Δn2、Δn3为相位级数小数部分，N1、N2为相位级数整数部分；
round表示四舍五入取整运算，并且由于节距P3为全场光栅，因此对应的相位整数部分N3＝0。
进一步，其中步骤7中，根据(14)式可直接计算出采集图1的绝对相位
根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，该方法只需投影4幅彩色光栅条纹图就能得到被测物体的三维形貌信息，相比传统面结构光少投影了8(12-4)幅光栅图，在投影数量上取得较大优势。总的来说，本发明在保证数字光栅三维测量中本身的精度和优点下，投影更少的图片，同时还对投影仪不可避免的Gamma误差进行消除。本发明方法由一个彩色图像中可以提取多通道条纹，并且利用半周期反向补偿法抵消非线性误差，有效地提高了三维测量的速度，可以应用于快速三维测量领域，适合大规模的推广和应用。
附图说明
为了获得本发明的上述优点和其他特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：
图1是本发明的测量系统的示意图。
图2是本发明的该反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法的流程示意图。
图3是本发明的该反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法所投影的光栅示意图。
图4是本发明的该反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法的简要实施示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示是依本发明的发明精神提供的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其通过一个结构光测量系统来实现，该测量系统包括一个投影仪1、一个工业相机2以及一个终端3，该投影仪1和该工业相机2布置在被测物体4前方，并且该投影仪1和该工业相机2均连接于该终端3。该终端3能够控制该投影仪1向该被测量物体投射具有相位信息的条纹光栅，该工业相机2能够实时采集经过该被测量物体表面调制的条纹图像，并将其发送到该终端3以进行分析和后续的操作，例如进行该方法的操作。
结合图1所示，本发明公开一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，具体步骤如下：
步骤1：由如图1所示的面结构光测量系统，主要由该投影仪1、该工业相机2、该终端3组成，其中该投影仪1和该工业相机2布置在被测物体4前方，其布置位置应保证该工业相机2拍摄范围覆盖该投影仪1的投影范围。例如，在图1这个例子中，该投影仪1和该工业相机2分别位于该被测物体的前方，并且该投影仪1和该工业相机2分别位于该被测物体的两侧，从而该投影仪1能够从该被测物体的前方的一个侧部向该被测物体4投影调制后的条纹图像，该工业相机2能够从该被测物体4的前方的另一个侧部拍摄被投射到该被测物体4的该条纹图像；优选的，将高、中、低(P1＝36、P2＝6、P3＝1)三个频率，三步相移条纹中各通道调制的投影光栅的光强值应满足：IR>IG＝IB，相位差2π/3的相移条纹分别压制在R\G\B三个通道中。选择高频率组的三个通道条纹图投影于白色平面，分别采集R\G\B三个通道图像；
步骤2：通过终端3采集的图像来进行通道分离，P1组分别分离到R\G\B三个通道中，得到9张单通道图像，进行串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b。串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b通过下列(1)至(3)式求得：
I″(x,y)＝[3(I1-I3)2+(2I2-I1-I3)2]1/2 (1)
a＝I″R-r/I″R-g (2)
b＝I″G-r/I″G-g (3)
其I″为调制光强值，I1、I2和I3分别为三步相移分别对应的光强值；
I″R-r和I″R-g分别为采集的红色图像分别在R通道和G通道的光强值；
I″G-r和I″G-g分别为采集的绿色图像分别在R通道和G通道的光强值；
步骤3：将频率为P1、P2、P3且相位差2π/3的相移条纹压制在RGB混合通道中(投影图像1、投影图像2、投影图像3)输入终端3。取高频(P1)组条纹进行半个周期π/3的相位偏移，再次压制在RGB通道中(投影图像4)。至此，完成彩色光栅条纹编码，即得到4幅彩色编码投影图像；
步骤4：将投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4分别通过投影仪1投影到被测物体4表面，并通过工业相机2采集图像，获得采集图像1、采集图像2、采集图像3和采集图像4；
步骤5：根据步骤4中采集得到的4幅彩色图像，分别进行R\G\B通道分离，获得4*3＝12幅黑白图像，并对各图像进行串扰系数补偿；
其中根据串扰系数a和b进行各图像的强度补偿，由下列(4)至(6)式求得：
Ibc(x,y)＝Ib(x,y)+c (6)
其中，Ir、Ig、Ib分别为各通道的光强值，Irc、Igc、Ibc分别为补偿后的R\G\B通道的光强，c为光强偏置(保证补偿后的光强值在0—255)；
步骤6：根据步骤2中计算的串扰系数a、b对步骤5中分离通道获得的12幅图像进行光强和补偿。通过由采集图像1和采集图像4分离而得的2*3＝6幅图像进行反向抵消非线性误差计算，得到补偿过后的高频(P1)包裹相位PHI_1。由下列(7)至(9)式求得：
其中，I1、I2、I3和I4、I5、I6分别为采集的高频无偏移和偏移π/3的彩色条纹光栅分别在R\G\B三个通道的光强值；
PHI_1_a为无偏移的高频包裹相位；PHI_1_b为π/3偏移的高频包裹相位；
(PHI_1_a＞PHI_1_b)表示当：PHI_1_a＞PHI_1_b时取1，否则为0；
步骤7：根据步骤6中计算的包裹相位PHI_1,结合中频(P2)、低频(P3)得到的包裹相位PHI_2和PHI_3进行相位展开即可得到绝对相位，进而重建三维形貌。优选的，该补偿算法仅对最高频率的相位主值进行全场非线性误差补偿，并在之后的相位解包裹时以PHI_1为基准。高频(P1)包裹相位已得到补偿，在解绝对相位的过程中，由下列(10)至(13)式得：
其中，PHI_2和PHI_3分别为P2、P3对应的包裹相位；
Δn2、Δn3为相位级数小数部分，N1、N2为相位级数整数部分；
round表示四舍五入取整运算，并且由于节距P3为全场光栅，因此对应的相位整数部分N3＝0。
根据(14)式可直接计算出采集图1的绝对相位
根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度、补偿性快速测量。
总的来说，本发明在面结构光三维测量系统中，利用彩色复合光栅的多通道性的优势，结合反向抵消非线性误差算法进行快速三维形貌重建。该方法只需投影4幅彩色光栅条纹图就能得到被测物体的三维形貌信息，相比传统面结构光少投影了8(12-4)幅光栅图，在投影数量上取得较大优势。在计算包裹相位的过程中以高频相位为基准，通过半周期反向抵消了相位的非线性误差，成功地补偿了传统结构光不能避免的Gamma误差，得到准确的相位信息。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将高、中、低(P1、P2、P3)三个频率，相位差2π/3的相移条纹分别压制在R\G\B三个通道中。选择高频率组的三个通道条纹图投影于白色平面，分别采集R\G\B三个通道图像；
步骤2：根据步骤1中采集的图像进行通道分离，P1组分别分离到R\G\B三个通道中，得到9张单通道图像，进行串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b；
步骤3：将频率为P1、P2、P3且相位差2π/3的相移条纹压制在RGB混合通道中(投影图像1、投影图像2、投影图像3)。取高频(P1)组条纹进行半个周期π/3的相位偏移，再次压制在RGB通道中(投影图像4)。至此，完成彩色光栅条纹编码，即得到4幅彩色编码投影图像；
步骤4：将投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4分别通过投影仪投影到物体表面，并通过彩色相机采集图像，获得采集图像1、采集图像2、采集图像3和采集图像4；
步骤5：根据步骤4中采集得到的4幅彩色图像，分别进行R\G\B通道分离，获得4*3＝12幅黑白图像，根据所求的串扰系数a和b对各图像的强度补偿；
步骤6：根据步骤2中计算的串扰系数a、b对步骤5中分离通道获得的12幅图像进行光强和补偿。通过由采集图像1和采集图像4分离而得的2*3＝6幅图像进行反向抵消非线性误差计算，得到补偿过后的高频(P1)包裹相位PHI_1。
步骤7：根据步骤6中计算的包裹相位PHI_1,结合中频(P2)、低频(P3)得到的包裹相位PHI_2和PHI_3进行相位展开即可得到绝对相位，进而重建三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中步骤1中，所述的高、中、低三个频率应取值合理，尽量取成倍频率值。所述的三步相移条纹中各通道调制的投影光栅的光强值应满足：IR>IG＝IB。
3.根据权利要求1所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中步骤2中，所述串扰系数的标定并计算R-G串扰系数a和G-R串扰系数b通过下列(1)至(3)式求得：
I″(x,y)＝[3(I1-I3)2+(2I2-I1-I3)2]1/2 (1)
a＝I″R-r/I″R-g (2)
b＝I″G-r/I″G-g (3)
其I″为调制光强值，I1、I2和I3分别为三步相移分别对应的光强值；
I″R-r和I″R-g分别为采集的红色图像分别在R通道和G通道的光强值；
I″G-r和I″G-g分别为采集的绿色图像分别在R通道和G通道的光强值。
4.根据权利要求1所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中步骤5中根据串扰系数a和b进行各图像的强度补偿，由下列(4)至(6)式求得：
Ibc(x,y)＝Ib(x,y)+c (6)
其中，Ir、Ig、Ib分别为各通道的光强值，Irc、Igc、Ibc分别为补偿后的R\G\B通道的光强，c为光强偏置(保证补偿后的光强值在0—255)。
5.根据权利要求1所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中步骤6中高频(P1)包裹相位由下列(7)至(9)式求得：
其中，I1、I2、I3和I4、I5、I6分别为采集的高频无偏移和偏移π/3的彩色条纹光栅分别在R\G\B三个通道的光强值；
PHI_1_a为无偏移的高频包裹相位；PHI_1_b为π/3偏移的高频包裹相位；
(PHI_1_a＞PHI_1_b)表示当：PHI_1_a＞PHI_1_b时取1，否则为0。
6.根据权利要求4所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：所述的高频包裹相位，其中该补偿算法仅对最高频率的相位主值进行全场非线性误差补偿，并在之后的相位解包裹时以PHI_1为基准。
7.根据权利要求1所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中步骤7中高频(P1)包裹相位已得到补偿，在解绝对相位的过程中，应该以PHI_1为基准来展开相位，由下列(10)至(13)式得：
其中，PHI_2和PHI_3分别为P2、P3对应的包裹相位；
Δn2、Δn3为相位级数小数部分，N1、N2为相位级数整数部分；
round表示四舍五入取整运算，并且由于节距P3为全场光栅，因此对应的相位整数部分N3＝0。
8.根据权利要求6所述的一种反向抵消非线性误差的彩色数字光栅编码方法，其特征在于：其中，根据(14)式可直接计算出采集图1的绝对相位
根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。
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