CN110044304A

CN110044304A - 用于三维结构光重建的三步相移方法

Info

Publication number: CN110044304A
Application number: CN201910347163.XA
Authority: CN
Inventors: 尚继辉; 张韶越; 何志成; 陈曾沁; 孟繁冲; 陈小虎
Original assignee: Spaceflight (shanghai) Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Spaceflight (shanghai) Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2019-07-23

Abstract

本发明提供用于三维结构光重建的三步相移方法，包括：引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得高质量的正弦条纹；采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；采用多频法得到了展开相位；采用两步匹配方法得到相应的匹配点。本发明提供的用于三维结构光重建的三步相移方法，采用二维高斯滤波器对一个三角形区域进行离焦，获得正弦条纹，其正弦度优于FSP和DBP方法。该方法不需要伽玛校正，易于实现。利用改进的三步相移算法，可以得到目标掩模，减少重建噪声点和运行时间。由于采用了两步匹配的方法，可以快速准确地获取相应的匹配点。该方法具有良好的性能。该方法可以很好地重建细节。

Description

用于三维结构光重建的三步相移方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及用于三维结构光重建的三步相移方法。

背景技术

使用DLP投射装置的光学非接触式三维测量在过去几年中发展迅速。与其他三维形状测量方法相比，多频外差相移法是应用最广泛的技术之一，具有测量精度高、测量速度快等优点。然而，由于非线性伽马的影响，用商用投影仪很难产生理想的正弦条纹图案。针对非正弦光栅的误差，提出了几种补偿算法，如伽玛校正法和误差查找表法。所有这些方法都称为聚焦正弦模板(FSP)，预先利用平板来获得相关系数或相位误差，这既费时又不准确。最近，提出了一种离焦二值模式(DBP)生成正弦光栅的方法，该方法对投影仪的非线性伽马不敏感。然而，高阶谐波，如第三谐波，在条纹密集的情况下，对正弦曲线有着内在的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供用于三维结构光重建的三步相移方法，以解决DBP对投影仪的非线性伽马不敏感的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供用于三维结构光重建的三步相移方法，包括：引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得高质量的正弦条纹；采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；采用多频法得到了展开相位；采用两步匹配方法得到相应的匹配点。

进一步地，选择闭合频率70、64和59，使用频率为70和64的相位得到频率为6的相位，利用频率1的相位，得到较高频率的连续相位图。

进一步地，在匹配过程之前，采用立体校正获得匹配点，左、右图像的行与极外线平行。

本发明提供的用于三维结构光重建的三步相移方法，采用二维高斯滤波器对一个三角形区域进行离焦，获得正弦条纹，其正弦度优于FSP和DBP方法。该方法不需要伽玛校正，易于实现。利用改进的三步相移算法，可以得到目标掩模，减少重建噪声点和运行时间。由于采用了两步匹配的方法，可以快速准确地获取相应的匹配点。该方法具有良好的性能。复杂曲面重建实验表明，该方法可以很好地重建细节。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的用于三维结构光重建的三步相移方法的流程步骤示意图；

图2为本发明实施例提供的一个周期内的三角波和正弦波的图形；

图3为本发明实施例提供的三角波的频谱；

图4a为本发明实施例提供的区域调制三角二值模板示意图；

图4b为本发明实施例提供的二维高斯滤波器散焦模式图；

图4c为本发明实施例提供的模拟模式的水平截面的强度示意图；

图4d为本发明实施例提供的方法与FSP方法相比的相位误差。

图5a为本发明实施例提供的投影后的捕获图像；

图5b为本发明实施例提供的分割后的二值图像。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于三维结构光重建的三步相移方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的用于三维结构光重建的三步相移方法，采用二维高斯滤波器对一个三角形区域进行离焦，获得正弦条纹，其正弦度优于FSP和DBP方法。该方法不需要伽玛校正，易于实现。利用改进的三步相移算法，可以得到目标掩模，减少重建噪声点和运行时间。由于采用了两步匹配的方法，可以快速准确地获取相应的匹配点。该方法具有良好的性能。复杂曲面重建实验表明，该方法可以很好地重建细节。

图1为本发明实施例提供的用于三维结构光重建的三步相移方法的流程步骤示意图。参照图1，提供一种用于三维结构光重建的三步相移方法，包括：

S11、引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得高质量的正弦条纹；

S12、采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；

S13、采用多频法得到了展开相位；

S14、采用两步匹配方法得到相应的匹配点。

散焦三角二元条纹可以产生正弦条纹。如果我们假设投影仪的图像大小是M*N(M和N分别是宽度和高度)，三角波的数学描述是

在上述方程中，T是周期值。图2为本发明实施例提供的一个周期内的三角波和正弦波的图形。参照图2，其中，实线表示波形，虚线表示近似的正弦波形，可以发现三角形波更像正弦波。图3为本发明实施例提供的三角波的频谱。参照图3，从频谱图上可以看出，高次谐波远离基频。如果我们在这个频谱上使用高斯滤波器，基频将被保留，高次谐波将被抑制。因此，可以通过散焦三角二值图形来获得正弦条纹。

图4a为本发明实施例提供的区域调制三角二值模板示意图；图4b为本发明实施例提供的二维高斯滤波器散焦模式图；图4c为本发明实施例提供的模拟模式的水平截面的强度示意图；图4d为本发明实施例提供的方法与FSP方法相比的相位误差。参照图4a至图4d该方法的相位误差比FSP方法小得多。与传统方法不同，我们提出的方法是区域调制。该模式在垂直方向上有五个强度等级(0、0.25、0.5、0.75和1)，因此与只有两个强度等级(0和1)的传统二进制模式相比，它可以提高正弦条纹的质量。

传统的三步相移图像可以描述为

I₁＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)-2π/3)

I₂＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y))

I₃＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)+2π/3) (2)

其中I'(x,y)表示环境光的强度，I”(x,y)表示调制强度，φ(x,y)是包裹相位。根据公式(2),φ(x,y)可表示为：

为了获得目标匹配掩模，引入平均强度图像。条纹图像的强度可以改写为

根据公式(4)，φ(x,y)可表示为：

相位值的范围为[-π,π]，需要通过相位展开算法消除不连续。强度I₃用于获取可以标记三维构造区域的对象遮罩。图5a为本发明实施例提供的投影后的捕获图像；图5b为本发明实施例提供的分割后的二值图像；参照图5a以及图5b，对强度图像进行分割，得到二值图像，作为目标掩模。

根据二值图像建立了一个二级矩阵(0和1)。如果矩阵的元素值为1，则需要计算相应的点，反之亦然。

利用外差原理可以得到边缘阶数。在本文中，我们使用了三频外差。选择闭合频率70、64和59。首先，我们使用频率为70和64的相位得到频率为6的相位。同样，可以得到频率5的相位。然后可以得到频率为1的连续相位。最后，利用频率一的相位，得到较高频率的连续相位图。

在匹配过程之前，采用立体校正来轻松获得匹配点。之后，左、右图像的行与极外线平行。为了得到三维坐标，需要从两个绝对相位图中获得相应的图像点。首先，通过粗匹配得到匹配点的范围。第二，通过位置插值得到匹配点的精确位置。

对于观察到的左侧点，我们可以用方程(6)和(7)计算出右侧对应的匹配点。

然后通过标定参数计算出相应的三维点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种用于三维结构光重建的三步相移方法，其特征在于，包括：

引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得高质量的正弦条纹；

采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；

采用多频法得到了展开相位；

采用两步匹配方法得到相应的匹配点。

2.如权利要求1所述的用于三维结构光重建的三步相移方法，其特征在于，选择闭合频率70、64和59，使用频率为70和64的相位得到频率为6的相位，利用频率1的相位，得到较高频率的连续相位图。

3.如权利要求1所述的用于三维结构光重建的三步相移方法，其特征在于，在匹配过程之前，采用立体校正获得匹配点，左、右图像的行与极外线平行。