CN110160468B - 一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法 - Google Patents

一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法 Download PDF

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    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré

Abstract

本发明公开了一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，首先通过五步相移法求解出运动产生的相位误差，同时利用被测对象的运动对摄像机像平面上以及投影仪相位平面上对应点的影响进行相位误差补偿，获取不受运动影响的主值相位分布。采用对相位展开过程进行运动误差校正的方法，搜寻运动误差导致出现相位阶次异常跳变的像素点，再对异常跳变点邻域内受影响的像素点进行相位阶次校正，使用经过校正的相位阶次进行相位展开以获得消除了运动误差的绝对相位分布，获得不受运动影响的被测对象绝对相位，完成三维重建。本发明提出的测量方法可以实现对动态物体的高精度测量，有效减少运动波纹，获得高质量的被测对象三维点云。

Description

一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法
技术领域
本发明涉及一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，属于计算机视觉中三维测量领域。
背景技术
基于DLP(digital light processing)投影仪的数字光栅投影技术按照投影光栅数量可以分为单幅投影和多幅投影的测量方法，其中单幅投影测量技术在很大程度上减少了测量所消耗的时间，并且减少了要投影的图像数量，可以应对一般的运动物体测量，但是在测量精度上相对较弱，因此在精度要求较高时，仍然需要选择投影多幅光栅的方法作为替代方法来实现动态三维测量。2009年，Lei和Zhang等人提出一种通过对二值图案进行散焦的方法来生成正弦光栅的方案，利用散焦光栅投影提升了多帧投影三维测量技术的测量速度。
采用普通多帧投影测量方法中的相移法散焦光栅投影三维测量系统进行测量时，需要对被测物体投影多帧预先设计好相移步长的光栅，再通过摄像机采集被测对象表面上的变形光栅，根据对应的求解法则以及系统信息最终求解出被测物体的三维信息。在对动态对象进行测量时，由于物体的运动，使得本应投影在物体表面某个位置的光栅出现偏移，导致测量系统在特定位置采集到的光栅条纹相移量与设定值不同，使得求解出的相位值以及所转换出的三维信息与真实值之间产生偏差，最终在三维重建结果上出现运动波纹，严重影响测量结果的精度和质量。
发明内容
针对动态物体测量中的运动波纹问题，本发明结合了可以实现快速测量的散焦光栅投影系统与具有运动补偿功能的相移法测量技术，提供一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，能提高对动态物体的三维测量精度，减小运动波纹的影响并获得可靠的被测对象三维点云，提升了相移法三维测量技术对运动物体的测量效果，获取了精度更高的三维点云。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，，包括以下步骤：
步骤1，使用散焦光栅投影三维测量系统，先对被测对象投影一张空白图像，再投影相移步长分别为-π、-π/2、0、π/2和π的五张正弦相移图像，再投影六张灰阶码图像，最后投影一张空白图像；在上述投影同时，摄像机采集对应投影下的被测对象图像；定义投影空白图像时摄像机采集的图像为被测对象空白光栅图，投影相移图像时摄像机采集的图像为被测对象相移图，投影灰阶码图像时摄像机采集的图像为被测对象灰阶码图；
步骤2，使用Lucas-Kanade金字塔光流法测量摄像机所获取的被测对象空白光栅图中像素点(x,y)在两张空白图像投影之间发生的水平方向位移Dx(x,y)和竖直方向位移Dy(x,y)、水平方向运动速度vx(x,y)和竖直方向运动速度vy(x,y)；
步骤3，基于被测对象相移图，求取被测对象运动造成的相位误差；
步骤4，基于步骤3的相位误差，进行主值相位误差补偿；
步骤5，基于被测对象灰阶码图，进行相位展开校正；
步骤6，对被测对象进行三维重建。
作为本发明的进一步技术方案，步骤2中：
Figure GDA0002664502830000021
Figure GDA0002664502830000022
作为本发明的进一步技术方案，步骤3具体为：
被测对象相移图中的像素点(x,y)的灰度值表示为：
Figure GDA0002664502830000023
其中，n指第n张相移光栅图像，n＝1,2,3,4,5，I′(x,y)是像素点(x,y)的条纹光强景灰度值，I″(x,y)是像素点(x,y)的调制强度，φ(x,y)为像素点(x,y)的主值相位；δn表示五步相移法的理论相移值，其值为2π·(n-3)/5，d(x,y)为像素点(x,y)处的相位误差；
引入变量
Figure GDA0002664502830000024
以及变量
Figure GDA0002664502830000025
通过式(3)得到：
Figure GDA0002664502830000026
得到：
Figure GDA0002664502830000031
求解式(7)，得到：
Figure GDA0002664502830000032
求解式(8)得到d(x,y)，即为点(x,y)处由运动引起的相位误差。
作为本发明的进一步技术方案，步骤4中根据式(9)计算运动误差补偿以后的主值相位：
Figure GDA0002664502830000033
作为本发明的进一步技术方案，步骤5具体为：
(4.1)根据采集到的被测对象灰阶码图进行灰阶码解码，取得像素点(x,y)处的相位阶次K(x,y)；
(4.2)寻找相位阶次中的异常跳变点，将第j个异常跳变点的横坐标记为xj，并将导致出现异常跳变的图像序号记为p(xj,j)，此图像序号为发生跳变的灰阶码图像的序号和第一张相移图像的序号之差；
(4.3)对相位阶次在(xj+ε+)到xj或xj到(xj+ε-)的范围内进行校正，其中，ε-和ε+分别表示在xj之前和之后应被校正的像素数：
Figure GDA0002664502830000034
Figure GDA0002664502830000035
其中，
Figure GDA0002664502830000036
表示向上取整；
Figure GDA0002664502830000037
表示向下取整；εT为光栅条纹图像中一个完整正弦周期所对应的像素数，d(xj,yj)为(xj,yj)处的相位误差，yj为第j个异常跳变点的纵坐标；
(4.4)定义相位阶次的校正函数如下：
Figure GDA0002664502830000041
(4.5)相位阶次K(x,y)校正结束以后的相位阶次Kcomp(x,y)为：
Kcomp(x,y)＝K(x,y)+Kcor(x,y)。 (13)
作为本发明的进一步技术方案，步骤(4.3)中如果d(xj,yj)<0，则对横坐标在(xj+ε+)到xj范围内的像素点的相位阶次作加1处理，如果d(xj,yj)>0，则对横坐标在xj到(xj+ε_)范围内的像素点的相位阶次作减1处理。
作为本发明的进一步技术方案，步骤6具体为：
(5.1)通过式
θ(x,y)＝Kcomp(x,y)·2π+φ(x,y) (14)
对主值相位进行展开，获得像素点(x,y)处经过运动补偿的绝对相位θ(x,y)；
(5.2)根据获得的经过运动补偿的绝对相位，结合散焦光栅投影三维测量系统的标定参数，计算被测对象的三维点云，完成了三维测量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、结合被测物体在摄像机图像平面和DLP投影仪相位平面上的像的位移进行运动分析，获取了被测对象的运动在以上两个平面上引起的偏移，其中在相位平面上的偏移即为运动引起的相位误差，补偿了运动对三维测量中主值相位的影响；
2、根据获取到的相位误差，本发明结合灰阶码法的编码过程，提出了一种对主值相位展开过程进行运动误差校正的方法，实现了对动态物体测量中相位展开过程的校正；
3、本发明提出的测量方法对于常见动态对象的测量具有很好的鲁棒性，可以明显减少运动引起的波纹，获取可靠的高精度三维测量结果。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为测量运动平面时，原始相移法解得的主值相位与经过本专利运动补偿所解得主值相位的对比图；
图3为测量运动平面时，原始图像编码法解得的相位阶次与经过本专利运动误差校正以后所得的相位阶次对比图；
图4为测量运动平面时，原始相移测量法经过相位展开以后解得的绝对相位与带有本专利运动补偿的相移测量法经过相位展开以后所得的绝对相位对比图，其中(a)为原始相移测量法经过相位展开以后解得的绝对相位，(b)为带有本专利运动补偿的相移测量法经过相位展开以后所得的绝对相位；
图5为测量运动平面时，原始相移测量法得到的测量结果与本专利方法所得测量结果的对比图，其中(a)、(b)均为该平面在不同运动状态下由原始相移测量法得到的测量结果，(c)、(d)均为该平面在不同运动状态下由本专利方法得到的测量结果；
图6为测量运动圆柱时，原始相移测量法得到的测量结果与本专利方法所得测量结果的对比图，其中(a)、(b)均为该圆柱在不同运动状态下由原始相移测量法得到的测量结果，(c)、(d)均为该圆柱在不同运动状态下由本专利方法得到的测量结果；
图7为测量运动人脸时，原始相移测量法得到的测量结果与本专利方法所得测量结果的对比图，其中(a)、(b)均为该人脸在不同运动状态下由原始相移测量法得到的测量结果，(c)、(d)均为该人脸在不同运动状态下由本专利方法得到的测量结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，首先对被测运动对象图像的运动进行分析，通过五步相移法求解出运动产生的相位误差，同时利用被测对象的运动对摄像机像平面上以及投影仪相位平面上对应点的影响进行相位误差补偿，获取不受运动影响的主值相位分布。针对运动误差对相位展开过程的影响，采用本发明提出的对相位展开过程进行运动误差校正的方法，搜寻运动误差导致出现相位阶次异常跳变的像素点，再结合所获得的相位误差数值对异常跳变点邻域内受影响的像素点进行相位阶次校正，使用经过校正的相位阶次进行相位展开以获得消除了运动误差的绝对相位分布，获得不受运动影响的被测对象绝对相位，完成三维重建。本发明提出的测量方法可以实现对动态物体的高精度测量，有效减少运动波纹，获得高质量的被测对象三维点云。
如图1所示，一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，具体包括以下步骤：
1.使用散焦光栅投影三维测量系统，先对被测对象投影一张空白图像，再投影相移步长分别为-π、-π/2、0、π/2和π的五张正弦相移图像，再投影六张灰阶码图像，最后投影一张空白图像；在上述投影过程中投影每一张图像的同时，摄像机采集对应投影下的被测对象图像；定义投影空白图像时，摄像机采集的图像为被测对象空白光栅图，投影相移图像时，摄像机采集的图像为被测对象相移图，投影灰阶码图像时，摄像机采集的图像为被测对象灰阶码图。
2.使用Lucas-Kanade金字塔光流法测量摄像机所获取的被测对象空白光栅图像素点(x,y)在两张空白图像投影之间发生的水平方向位移Dx(x,y)和竖直方向位移Dy(x,y)，并根据
Figure GDA0002664502830000061
Figure GDA0002664502830000062
计算得出摄像机像平面上的像素点(x,y)在此运动过程中水平方向运动速度vx(x,y)和竖直方向运动速度vy(x,y)。
2.在五步相移法的光栅投影三维测量系统中，将摄像机采集到的被测对象相移图像素点(x,y)的灰度值表示为：
Figure GDA0002664502830000063
其中n指第n张相移光栅图像，n＝1,2,3,4,5，I′(x,y)是像素点(x,y)处的条纹光强景灰度值，I″(x,y)是像素点(x,y)处的调制强度，φ(x,y)为像素点(x,y)处的待求主值相位，δn表示五步相移法的理论相移值，其值为2π·(n-3)/N，d(x,y)为像素点(x,y)处的相位偏移。
根据采集到的5张被测对象相移图，则由公式(3)有δ1＝-π,δ2＝-π/2,δ3＝0,δ4＝π/2和δ5＝π。
引入变量
Figure GDA0002664502830000064
以及变量
Figure GDA0002664502830000065
通过式(3)得到：
Figure GDA0002664502830000066
得到：
Figure GDA0002664502830000071
求解方程组(7)，得到：
Figure GDA0002664502830000072
求解式(8)得到d(x,y)。
3.对式(3)中的φ(x,y)进行求解，可以得到：
Figure GDA0002664502830000073
其中φ(x,y)为消除了运动误差的相位值，即为进行了运动误差补偿以后的主值相位。如图2所示，测量运动平面时，原始相移法解得的主值相位与经过运动补偿所解得主值相位的图像对比。
4.根据采集到的被测对象灰阶码图进行灰阶码解码，取得像素点(x,y)处的相位阶次K(x,y)。
寻找相位阶次中的异常跳变点，将第j个异常跳变点的横坐标记为xj，并将导致出现异常跳变的图像序号记为p(xj,j)，此图像序号为发生跳变的灰阶码图像的序号和第一张相移图像的序号之差。
对相位阶次在(xj+ε+)到xj或xj到(xj+ε-)的范围内进行校正，其中ε-和ε+分别表示在xj之前和之后分别有多少像素(异常相位阶次跳变所覆盖的像素数)应被校正。对ε-和ε+的计算如下：
Figure GDA0002664502830000074
Figure GDA0002664502830000081
其中
Figure GDA0002664502830000082
表示向上取整；
Figure GDA0002664502830000083
表示向下取整；εT为光栅条纹图像中一个完整正弦周期所对应的像素数，d(xj,yj)为(xj,yj)处的相位误差，yj为第j个异常跳变点的纵坐标。
定义相位阶次的校正函数如下：
Figure GDA0002664502830000084
对点(x,y)处的相位阶次K(x,y)进行校正，得到相位阶次Kcomp(x,y)，由下式求得：
Kcomp(x,y)＝K(x,y)+Kcor(x,y) (13)
如图3所示，测量运动平面时，原始图像编码法解得的相位阶次与经过本专利运动误差校正以后所得的相位阶次对比
5.根据步骤(4)中所求得的、经过校正的相位阶次Kcomp(x,y)，通过式
θ(x,y)＝Kcomp(x,y)·2π+φ(x,y) (14)
对主值相位进行展开，获得点(x,y)处经过运动补偿的绝对相位θ(x,y)。如图4中的(a)和(b)所示，测量运动平面时，原始相移测量法经过相位展开以后解得的绝对相位与带有运动补偿的相移测量经过相位展开以后所得的绝对相位对比。
根据获得的经过运动补偿的绝对相位，结合测量系统的标定参数，计算被测对象的三维点云。图5中的(a)至(d)、6中的(a)至(d)与7中的(a)至(d)分别为测量运动平面、圆柱与人脸时，在不同运动状态下原始相移测量法得到的测量结果与本专利方法所得测量结果的对比图。
经过以上步骤可以获得高精度、对运动不敏感的动态物体三维测量结果。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用散焦光栅投影三维测量系统，先对被测对象投影一张空白图像，再投影相移步长分别为-π、-π/2、0、π/2和π的五张正弦相移图像，再投影六张灰阶码图像，最后投影一张空白图像；在上述投影同时，摄像机采集对应投影下的被测对象图像；定义投影空白图像时摄像机采集的图像为被测对象空白光栅图，投影相移图像时摄像机采集的图像为被测对象相移图，投影灰阶码图像时摄像机采集的图像为被测对象灰阶码图；
步骤2，使用Lucas-Kanade金字塔光流法测量摄像机所获取的被测对象空白光栅图中像素点(x,y)在两张空白图像投影之间发生的水平方向位移Dx(x,y)和竖直方向位移Dy(x,y)、水平方向运动速度vx(x,y)和竖直方向运动速度vy(x,y)；
Figure FDA0002664502820000011
Figure FDA0002664502820000012
步骤3，基于被测对象相移图，求取被测对象运动造成的相位误差；具体为：
被测对象相移图中的像素点(x,y)的灰度值表示为：
Figure FDA0002664502820000013
其中，n指第n张相移光栅图像，n＝1,2,3,4,5，I′(x,y)是像素点(x,y)的条纹光强景灰度值，I″(x,y)是像素点(x,y)的调制强度，φ(x,y)为像素点(x,y)的主值相位；δn表示五步相移法的理论相移值，其值为2π·(n-3)/5，d(x,y)为像素点(x,y)处的相位误差；
引入变量
Figure FDA0002664502820000014
以及变量
Figure FDA0002664502820000015
通过式(3)得到：
Figure FDA0002664502820000021
得到：
Figure FDA0002664502820000022
求解式(7)，得到：
Figure FDA0002664502820000023
求解式(8)得到d(x,y)，即为点(x,y)处由运动引起的相位误差；
步骤4，基于步骤3的相位误差，进行主值相位误差补偿；
步骤5，基于被测对象灰阶码图，进行相位展开校正；
步骤6，对被测对象进行三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，其特征在于，步骤4中根据式(9)计算运动误差补偿以后的主值相位：
Figure FDA0002664502820000024
3.根据权利要求2所述的一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，其特征在于，步骤5具体为：
(4.1)根据采集到的被测对象灰阶码图进行灰阶码解码，取得像素点(x,y)处的相位阶次K(x,y)；
(4.2)寻找相位阶次中的异常跳变点，将第j个异常跳变点的横坐标记为xj，并将导致出现异常跳变的图像序号记为p(xj,j)，此图像序号为发生跳变的灰阶码图像的序号和第一张相移图像的序号之差；
(4.3)对相位阶次在(xj+ε+)到xj或xj到(xj+ε-)的范围内进行校正，其中，ε-和ε+分别表示在xj之前和之后应被校正的像素数：
Figure FDA0002664502820000031
Figure FDA0002664502820000032
其中，
Figure FDA0002664502820000033
表示向上取整；
Figure FDA0002664502820000034
表示向下取整；εT为光栅条纹图像中一个完整正弦周期所对应的像素数，d(xj,yj)为(xj,yj)处的相位误差，yj为第j个异常跳变点的纵坐标；
(4.4)定义相位阶次的校正函数如下：
Figure FDA0002664502820000035
(4.5)相位阶次K(x,y)校正结束以后的相位阶次Kcomp(x,y)为：
Kcomp(x,y)＝K(x,y)+Kcor(x,y) (13)。
4.根据权利要求3所述的一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，其特征在于，步骤(4.3)中如果d(xj,yj)<0，则对横坐标在(xj+ε+)到xj范围内的像素点的相位阶次作加1处理，如果d(xj,yj)>0，则对横坐标在xj到(xj+ε-)范围内的像素点的相位阶次作减1处理。
5.根据权利要求4所述的一种针对运动对象的散焦光栅投影三维测量方法，其特征在于，步骤6具体为：
(5.1)通过式
θ(x,y)＝Kcomp(x,y)·2π+φ(x,y) (14)
对主值相位进行展开，获得像素点(x,y)处经过运动补偿的绝对相位θ(x,y)；
(5.2)根据获得的经过运动补偿的绝对相位，结合散焦光栅投影三维测量系统的标定参数，计算被测对象的三维点云，完成了三维测量。
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