CN110207621B - 一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，通过生成一组包含变相移的四步相移信息的条纹光栅图像，并通过相对应的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的重新解算而得到相位信息。该基于变相移的四步相移的面结构光解相方法仅使用四幅竖直条纹光栅图像，不需要更多的图像或者额外的预知信息，在保证结构光三维测量中本身的精度和优点下，提高了测量速度。同时，本发明方法在抗噪性上也有较好的效果，算法具有较好的鲁棒性。

Description

一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法

技术领域

本发明涉及一种面结构光解相方法，具体涉及一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法。

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，根据测量时是否与被测量物体接触，可将三维测量技术分为接触式和非接触式。非接触式三维测量技术同样具备高精度的优点，同时还具备传统接触式测量技术所不具备的优点：如无破坏性、高效率、工作距离大等。近年来非接触式三维测量技术在文物保护、逆向工程、虚拟现实等领域也得到越来越多的应用。

在非接触式三维测量中，基于相位结构光的主动式三维测量方法以高精度、高速度、易于实现等优点逐渐成为三维测量领域的研究热门。

基于面结构光的三维测量原理：在由投影仪和相机组成的结构光测量系统中，通过投影仪将具有已知相位信息的面结构光投射到被测物体表面，再由相机同步采集经过被测物体表面高度调制后的条纹光栅图像，通过对采集的条纹光栅图像的解相来得到相应的相位分布，再根据系统标定中得到的相位和三维坐标的关系重建出物体的三维形貌。

存在的问题：在面结构光三维测量的实际应用中，从采集的条纹光栅图像中解出准确的相位信息对三维测量和重建精度有直接的影响。传统的四步相移多频投影测量方式，在计算相位级整数部分的时候，由于随机噪声、非线性误差和过亮过暗等因素的影响，在求取相位级数的时候，由于误差的不断传递放大，导致所求得的相位级数整数部分存在跳跃性误差，导致最终求出相位中出现2pi的整数倍跳跃误差，造成相位缺失，在实际测量中，这种跳跃误差往往较多且不易消除。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，该方法的主要内容是通过生成一组包含变相移的四步相移信息的条纹光栅图像，并通过相对应的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的重新解算而得到相位信息。该基于变相移的四步相移的面结构光解相方法仅使用四幅图像，不需要更多的图像或者额外的预知信息。因此，本发明方法可以灵活的应用于高速三维测量。

本发明的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，包括如下步骤：

步骤1：确定用于解包裹相位的节距p；

步骤2：根据步骤1确定的节距生成一组变相移的四步相移条纹光栅图像，分别记为投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4；

步骤3：将投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4分别通过投影仪投射到物体表面，并通过相机采集图像，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4：根据步骤3中获得采集图像1、采集图像2、采集图像3和采集图像4，计算对应采集图像的各点相移α(i,j)；

步骤5：根据步骤4中获得相移α(i,j)，计算采集图像的条纹顺序k；

步骤6：根据步骤4中获得相移α(i,j)，计算采集图像的包裹相位φ'(i,j)；

步骤7：根据步骤5中获得条纹顺序k和步骤6中获得包裹相位φ'(i,j)，计算采集图像的绝对相位φ(i,j)。

进一步，其中步骤2中，所述包含有变相移的四步相移的条纹光栅图像通过下列(1)至(4)式求得：

I₁(i,j)＝A+Bcos[φ(i,j)+α(i,j)] (1)

I₂(i,j)＝A-Bcos[φ(i,j)+α(i,j)] (2)

I₃(i,j)＝A-Bsin[φ(i,j)+α(i,j)] (3)

I₄(i,j)＝A+Bsin[φ(i,j)-α(i,j)] (4)

其中，I_n(i,j)表示该组中第n幅图中(i,j)点处的灰度值大小，n＝1,2,3,4；A代表图像的平均灰度值，B代表图像的灰度调制；φ(i,j)为该组图像中对应的各点绝对相位，α(i,j)为该组图像中对应的各点相移。

进一步，其中步骤4中，采集图像中对应的各点相移通过下列(5)式求得：

其中，

进一步，其中步骤5中，采集图像中对应的条纹顺序k通过下列(6)式求得：

其中，round表示四舍五入取整运算。

进一步，其中步骤6中，包裹相位φ'(i,j)通过下列(7)式求得：

φ'(i,j)＝arctan2[(I₃-A),(I₂-A)]-α(i,j) (7)

其中，

进一步，其中步骤7中，绝对相位φ(i,j)通过下列(8)式求得：

φ(i,j)＝k×2π+φ'(i,j) (8)

本发明提供的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法有益效果在于：该方法将生成的图像表示为具有量化相移的特殊正弦形式，仅需要四幅图像同时提取包裹相位和条纹顺序。此外，对于数字条纹投影系统而言，该方法不需要任何预先知道的信息，最终逐像素的获得绝对相位图，可提高整个快速测量过程的操作效率。该解相方法操作简单，能够提高三维快速测量的速度，适合大规模的推广和应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的测量系统的示意图。

图2是本发明的该基于变相移的四步相移的面结构光解相方法的流程示意图。

图3是本发明的该基于变相移的四步相移的面结构光解相方法的变相移四步相移条纹光栅图像生成示意图。

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基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其通过一个结构光测量系统来实现，该测量系统包括一个工业相机1、一个投影仪2以及一个控制终端3，该工业相机1和该投影仪2布置在被测物体4前方，并且该工业相机1和该投影仪2均连接于该控制终端3。该控制终端3能够控制该投影仪2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1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，本发明公开一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，具体实现步骤如下：

步骤1：如图1所示的面结构光测量系统，主要由该工业相机1、该投影仪2、该控制终端3组成，其中该工业相机1和该投影仪2布置在被测物体4前方，其布置位置应保证该工业相机1拍摄范围覆盖该投影仪2的投影范围。在该优选的实施例中选取新颖的变相移的四步相移解相方法，确定展开频率数M＝1。根据相关研究，选用于解包裹相位的节距p，则该优选的实施例需采集一组该节距下的图像，该组图像共有四幅竖直条纹光栅图像。设定每幅待投射图像的宽度和高度分别为W、H。

步骤2：依据本发明的发明精神提供的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，该优选实施例设定生成的结构光条纹光栅表达式中待定参数：

A、B

其中，p是条纹节距，代表着在一个周期内的像素总数。N代表一幅完整图像中条纹总的个数。int()表示对括号内的数进行四舍五入取整操作。

则对应于p节距的该组竖直条纹光栅(i,j)处光强的表达式通过下列(1)至(4)式求得：

根据上述该步骤1中预设p，可生成一组变相移的四步相移竖直条纹光栅图像。对应于该优选的实施例生成的结构光条纹光栅，展示在附图3中。

步骤3：根据本发明的发明精神提供的一种基于变相移的四步相移的结构光解相方法，由附图1中该投影仪2将步骤2中生成的四张结构光条纹光栅图像投射至被测物体4，通过该工业相机1同步采集经过被测物体表面调制后相位变形的条纹图像，并将采集图像存储至该控制终端3。

步骤4：依据本发明的发明精神提供的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，计算步骤3中被采集图像的相位。具体过程为：选取图像中有效信息区域，解算节距p的四幅图像的水平包裹相位。设该优选实施例所得各组采集图像的灰度值为：

对应p的采集图像光栅灰度值：

其中，v表示竖直条纹光栅。根据上述假设所采集图像的水平相移分布通过下列(5)式求得：

其中，

步骤5：基于步骤4中获得相移α(i,j)，条纹顺序k通过下列(6)式求得：

其中，round表示四舍五入取整运算。

步骤6：基于步骤4中获得相移α(i,j)，包裹相位φ'(i,j)通过下列(7)式求得：

φ'(i,j)＝arctan2[(I₃ ^v-A),(I₂ ^v-A)]-α(i,j) (7)

其中，

步骤7：基于步骤5中获得条纹顺序k和步骤6中获得包裹相位φ'(i,j)，绝对相位φ(i,j)通过下列(8)式求得：

φ(i,j)＝k×2π+φ'(i,j) (8)

总的来说，本发明在面结构光三维测量系统中，提供一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，该方法使用一种图像频率，生成一组包含变相移的四步相移编码信息的条纹光栅图像，精确测量三维信息。该基于变相移的四步相移的面结构光解相方法仅使用四幅图像，不需要更多的图像或者额外的预知信息，测量速度更快。由于没有数字条纹投影系统的预设几何约束，该方法的测量范围更加广泛。

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 (5)

1.一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定用于解包裹相位的节距p；

步骤2：根据步骤1确定的节距生成一组变相移的四步相移条纹光栅图像，分别记为投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4；所述包含有变相移的四步相移的条纹光栅图像通过下列(1)至(4)式求得：

I₁(i,j)＝A+B cos[φ(i,j)+α(i,j)] (1)

I₂(i,j)＝A-B cos[φ(i,j)+α(i,j)] (2)

I₃(i,j)＝A-B sin[φ(i,j)+α(i,j)] (3)

I₄(i,j)＝A+B sin[φ(i,j)-α(i,j)] (4)

其中，I_n(i,j)表示该组中第n幅图中(i,j)点处的灰度值大小，n＝1,2,3,4；A代表图像的平均灰度值，B代表图像的灰度调制；φ(i,j)为该组图像中对应的各点绝对相位，α(i,j)为该组图像中对应的各点相移；

步骤3：将投影图像1、投影图像2、投影图像3和投影图像4分别通过投影仪投射到物体表面，并通过相机采集图像，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4：根据步骤3中获得采集图像1、采集图像2、采集图像3和采集图像4，计算对应采集图像的各点相移α(i,j)；

步骤5：根据步骤4中获得各点相移α(i,j)，计算采集图像的条纹顺序k；

步骤6：根据步骤4中获得各点相移α(i,j)，计算采集图像的包裹相位φ'(i,j)；

步骤7：根据步骤5中获得条纹顺序k和步骤6中获得包裹相位φ'(i,j)，计算采集图像的绝对相位φ(i,j)。

2.根据权利要求1所述的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其特征在于：其中步骤4中，采集图像中对应的各点相移通过下列(5)式求得：

其中，

3.根据权利要求1所述的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其特征在于：其中步骤5中，采集图像中对应的条纹顺序k通过下列(6)式求得：

其中，round表示四舍五入取整运算，f为图像的条纹周期数。

4.根据权利要求1所述的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其特征在于：其中步骤6中，包裹相位φ'(i,j)通过下列(7)式求得：

φ'(i,j)＝arctan2[(I₃-A),(I₂-A)]-α(i,j) (7)

其中，

5.根据权利要求1所述的一种基于变相移的四步相移的面结构光解相方法，其特征在于：其中步骤7中，绝对相位φ(i,j)通过下列(8)式求得：

φ(i,j)＝k×2π+φ'(i,j) (8)

其中，k为条纹顺序，φ'(i,j)为包裹相位。

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