CN109798845A - 一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法与装置，包括以下步骤：将需要的双频条纹编码加载到MEMS微振镜控制面板中，使光机以所需的双频条纹扫描；光机扫描触发双目立体视觉相机拍摄被物体表面形状改变的双频条纹；对含有物体表面形状信息的光栅条纹图像进行解相位和相位展开，并利用相位信息对左右图像进行立体匹配得到视差图；处理根据双目标定结果，基于三维测量原理求出描述目标物体表面的点云数据。减少主值相位图噪声或不连续现象，提高展开相位的精度，通过投影两组4幅正弦光栅条纹图，两组条纹图之间的初始相位设计为相差45°，两次执行四步相移算法获得两幅主值相位图，能够更大地减少测量误差，且能较好用于实际测量。
Description
技术领域
本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法与装置。
背景技术
光学三维视觉技术由于同时拥有精度高、采集速度快、非接触等特点,激光的高亮度和良好的光束质量使其成为光学三维测量中更有优势的光源。在激光现有技术发展趋势的基础上，选择具有发展前途的条纹投射技术作为三维测量依据，克服传统光栅轮廓术在实际测量中的缺点，减少传统光栅投影术中采用傅里叶变换轮廓法解相位带来误差，较好用于实际测量，是工业生产对三维视觉的迫切要求。
因此,现有技术还需要进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法与装置,旨在解决现有技术中，光栅轮廓术在实际测量中的缺点，减少传统光栅投影术中采用傅里叶变换轮廓法解相位带来误差的问题。
所采用的技术方案为：一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，该方法包括以下步骤：
S1：将需要的双频条纹编码加载到MEMS微振镜控制面板中，使光机以所需的双频条纹扫描；
S2：光机扫描触发双目立体视觉相机拍摄被物体表面形状改变的双频条纹；
S3：对含有物体表面形状信息的光栅条纹图像进行解相位和相位展开，并利用相位信息对左右图像进行立体匹配得到视差图；
S4：处理根据双目标定结果，基于三维测量原理求出描述目标物体表面的点云数据。
S3具体步骤为：通过投影两组正弦光栅条纹图，两次执行四步相移算法获得展开相位图。
S4具体步骤为：通过标定和相位匹配找到物点的对应点对，基于三角测量原理求出该组点所对应的空间点坐标，得到目标物体表面结构的点云数据。
光栅投影是驱动系统控制MEMS微振镜的X轴做扫描运动，获得所需模式的结构光；驱动系统控制MEMS微振镜的Y轴做垂直上下的幅度为波长量级的高频振动。
X轴做扫描运动获得的结构光模式不限，Y轴振动频率远高于X轴振动频率。
三维重建精度提升方法的装置，包括CCD相机和光栅投影系统，光栅投影系统包括结构外壳、光学整形系统、驱动控制系统和双轴MEMS微振镜，激光光源和双轴MEMS微振镜由驱动系统控制，激光光源通过光学系统整形之后到达双轴MEMS微镜的镜面；在驱动控制系统的控制之下，调制激光器的亮度与MEMS微振镜的X轴的振动状态进行配合，对外扫描出编码光栅结构光。
CCD相机和光栅投影系统为非线性设备。
驱动控制系统包括激光器控制系统和MEMS微振镜控制系统。
有益效果：本发明提供了一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法与装置，采用直接融合两幅主值相位图的相位信息融合方法，减少主值相位图噪声或不连续现象，提高展开相位的精度，通过投影两组4幅正弦光栅条纹图，两组条纹图之间的初始相位设计为相差45°，两次执行四步相移算法获得两幅主值相位图，主值相位图展开后获得展开相位图，融合所得两幅展开相位图，能够更大地减少测量误差，且能较好用于实际测量。
附图说明
图1是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法的流程图；
图2是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的装置的结构示意图；
图3是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的装置的光路示意图；
图4是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法的两次相移算法获取的两幅展开相位分布情况图；
图5是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法的光栅设计图和实际拍摄图；
图6是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法的相位误差对比示意图；
图7是本发明基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法的相位分布图对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，该方法包括以下步骤：
S1：将需要的双频条纹编码加载到MEMS微振镜控制面板中，使光机以所需的双频条纹扫描；
S2：光机扫描触发双目立体视觉相机拍摄被物体表面形状改变的双频条纹；
S3：对含有物体表面形状信息的光栅条纹图像进行解相位和相位展开，并利用相位信息对左右图像进行立体匹配得到视差图；
S4：处理根据双目标定结果，基于三维测量原理求出描述目标物体表面的点云数据。
S3具体步骤为：通过投影两组正弦光栅条纹图，两次执行四步相移算法获得展开相位图。
S4具体步骤为：通过标定和相位匹配找到物点的对应点对，基于三角测量原理求出该组点所对应的空间点坐标，得到目标物体表面结构的点云数据。
光栅投影是驱动系统控制MEMS微振镜的X轴做扫描运动，获得所需模式的结构光；驱动系统控制MEMS微振镜的Y轴做垂直上下的幅度为波长量级的高频振动。
X轴做扫描运动获得的结构光模式不限，Y轴振动频率远高于X轴振动频率，因此并不会对扫描光栅的分布造成影响。
如图2、图3所示，三维重建精度提升方法的装置，包括CCD相机100和光栅投影系统200，光栅投影系统200包括结构外壳210、光学整形系统220、驱动控制系统、激光器230和双轴MEMS微振镜240，激光光源和双轴MEMS微振镜由驱动系统控制，激光光源通过光学系统整形之后到达双轴MEMS微镜的镜面；在驱动控制系统的控制之下，调制激光器的亮度与MEMS微振镜的X轴的振动状态进行配合，对外扫描出编码光栅结构光。半导体激光器的波长不做要求，该结构光编码方式对任意波长的激光均适用。驱动控制系统包括激光器控制系统和MEMS微振镜控制系统。两个控制系统协同工作，通过相应关系可以控制扫描投影的明暗、形状、密度等参数。其中，MEMS微振镜控制系统可以控制振镜的双轴运动，在进行常规扫描的同时实现波长量级的高频振动。
CCD相机和光栅投影系统为非线性设备。已设计好的具有正弦分布的光栅条纹图由激光器准直整形后通过MEMS微振镜投出，会受到被测物体表面调制以及环境光强诸多因素影响，CCD相机对应采集到的光栅条纹图不具有良好的正弦性。该非正弦性会向相移算法获得的相位信息引入误差。
如图4、图5、图6、图7所示，具体的，激光器产生的光束，通过激光光束整形透镜整形后通过MEMS微振镜对外进行投射两组4幅正弦光栅条纹图，两组条纹图之间的初始相位设计为相差45°，两次执行四步相移算法获得两幅主值相位图，主值相位图展开后获得展开相位图。然后采用直接融合两幅主值相位图的相位信息融合方法，减少主值相位图噪声或不连续现象，更大地减少测量误差，且较好用于实际测量。基于对常用相移算法的测量相位误差分布规律的分析，采用双频相移算法。削弱数字光栅投影测量系统中非线性响应产生的测量误差。由于光不是垂直照在物体上,所以栅线栅距不是完全相等。CCD摄像机光敏面上像元中心距限制了像点的分辨率。在高精度的测量中可选用像元数多、分辨率高的CCD器件,但这很不经济,本发明采用计算机拟合与插值的方法来增加像元数,提高CCD分辨率。由于一个光斑占几个像元,用其质心作为定位标准,将精度提高到亚像元级(0.02)。基于以上方法，提升三维重建精度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：将需要的双频条纹编码加载到MEMS微振镜控制面板中，使光机以所需的双频条纹扫描；
S2：光机扫描触发双目立体视觉相机拍摄被物体表面形状改变的双频条纹；
S3：对含有物体表面形状信息的光栅条纹图像进行解相位和相位展开，并利用相位信息对左右图像进行立体匹配得到视差图；
S4：处理根据双目标定结果，基于三维测量原理求出描述目标物体表面的点云数据。
2.根据权利要求1所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，其特征在于，所述S3具体步骤为：通过投影两组正弦光栅条纹图，两次执行四步相移算法获得展开相位图。
3.根据权利要求1所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，其特征在于，所述S4具体步骤为：通过标定和相位匹配找到物点的对应点对，基于三角测量原理求出该组点所对应的空间点坐标，得到目标物体表面结构的点云数据。
4.根据权利要求2所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，其特征在于，所述光栅投影是驱动系统控制MEMS微振镜的X轴做扫描运动，获得所需模式的结构光；驱动系统控制MEMS微振镜的Y轴做垂直上下的幅度为波长量级的高频振动。
5.根据权利要求4所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的方法，其特征在于，所述X轴做扫描运动获得的结构光模式不限，所述Y轴振动频率远高于X轴振动频率。
6.根据权利要求1-5任一项所述的三维重建精度提升方法的装置，其特征在于，包括CCD相机和光栅投影系统，所述光栅投影系统包括结构外壳、光学整形系统、驱动控制系统和双轴MEMS微振镜，所述激光光源和双轴MEMS微振镜由驱动系统控制，激光光源通过光学系统整形之后到达双轴MEMS微镜的镜面；在驱动控制系统的控制之下，调制激光器的亮度与MEMS微振镜的X轴的振动状态进行配合，对外扫描出编码光栅结构光。
7.根据权利要求6所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的装置，其特征在于，所述CCD相机和光栅投影系统为非线性设备。
8.根据权利要求6所述的基于激光光栅扫描的三维重建精度提升的装置，其特征在于，所述驱动控制系统包括激光器控制系统和MEMS微振镜控制系统。
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