CN110631507B - 一种基于结构光的三维测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维测量方法技术领域，实施例具体公开一种基于相移光栅条纹结构光进行三维测量的方法及系统。通过光源单元向被测物体投射一组有固定相移的光栅条纹图像，两个成像单元分别从设定的角度拍摄这组包含相移光栅的被测物体图像，经过计算相位可以得到物体的绝对深度，从而实现三维测量，解决了被测物体存在空间不连续和遮挡等情况时的相位截断无法进行三维测量的问题，具有更广泛的实用性。

Description

一种基于结构光的三维测量方法及系统

技术领域

本发明涉及三维测量方法技术领域，具体涉及一种基于相移光栅条纹结构光进行三维测量的方法及系统。

背景技术

目前，在三维重建和三维测量在计算机视觉领域有着广泛应用。相比于二维的图像，三维信息更加全面地记录了场景的实际信息。三维测量在逆向工程、物体外形检测等方面是关键的技术基础。

现阶段常用的三维测量方法有：飞行时间法、立体视觉法和结构光法。飞行时间法的精度受硬件同步和响应精度影响，精度很难有所提升。立体视觉法获得的三维信息是稀疏的，容易缺失大量信息。结构光法利用对目标物体投射附加的结构光作为深度测量依据，常见方法有相位测量轮廓术(PMP)和傅里叶变换轮廓术(FTP)受限于三角测量原理和求解算法，这种方法虽然有较好的精度和速度，但是对空间不连续的物体和空间的遮挡就无能为力。

发明内容

有鉴于此，本申请针对传统结构光三维测量方式不能测量空间不连续物体和存在遮挡物体的缺陷，提出以相位测量轮廓术基本原理作为基础，结合计算机视觉相关技术，实现相位截断下三维数据获取，成功解决结构光法无法测量空间不连续物体的难题，能精确测量空间不连续或含有遮挡的三维场景，具有广泛应用价值。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种基于结构光的三维测量方法，应用于三维测量系统，所述三维测量系统包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，所述光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制；所述第一成像单元的光心与所述光源单元的光心完全重合或者在竖直方向上重合，所述第二成像单元放置在所述光源单元的一侧，且所述第二成像单元与所述光源单元的光心出轴连线的夹角大于等于20°且小于等于40°，所述测量方法包括：

S11：光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像；

S12：控制单元根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息；

S13：控制单元根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果。

优选的，所述步骤S11的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向被测物体依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像，n大于2。

优选的，所述步骤S12的方法包括：

S121：根据第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，根据第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位；

S122：去除第一成像单元包裹相位中的无效区域，去除第二成像单元包裹相位中的无效区域；

S123：根据预设的第一成像单元视角的周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到第一成像单元包裹相位的真实周期；

S124：将第二组被测物体图像按照边缘、灰度变化情况进行分割，得到第二成像单元各个独立的图像碎片；

S125：将第二成像单元各个独立的图像碎片采用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位的真实周期上，在第一成像单元包裹相位的真实周期上得到与第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期；

S126：将第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期和第二成像单元包裹相位对应相加，得到第二成像单元的绝对相位；

S127：根据第二成像单元的绝对相位和该三维测量系统相位-高度映射关系得到被测物体真实高度信息。

优选的，所述步骤S121的方法包括：

根据公式

和第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，

根据公式

和第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位，

其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，所述步骤S13的方法包括：

第二成像单元和第一成像单元采集的被测物体图像行和列对应三维场景中x、y方向的实际距离；

被测物体真实高度信息对应三维场景中z方向的实际高度；

根据三维场景中x、y方向的实际距离和z方向的实际高度生成三维测量结果。

优选的，所述步骤S11前，还包括步骤S10：获取第一成像单元视角的周期标记线；

所述步骤S10的方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

S102：控制单元根据一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

优选的，所述步骤S101的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向参考平面依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第一组参考平面图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第二组参考平面图像，n大于2。

优选的，所述步骤S102的方法包括：

控制单元根据公式

和第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，所述步骤S103的方法包括：对第一成像单元参考平面的包裹相位腐蚀并作直线检测，得到第一成像单元视角的周期标记线。

本发明还提供一种基于结构光的三维测量系统，包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，所述光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制；所述第一成像单元的光心与所述光源单元的光心完全重合或者在竖直方向上重合，所述第二成像单元放置在所述光源单元的一侧，且所述第二成像单元与所述光源单元的光心出轴连线的夹角大于等于20°且小于等于40°，所述控制单元包括：

投射采集模块，用于控制光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时控制第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时控制第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像；

第一计算模块，用于根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息；

第二计算模块，用于根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果。

优选的，所述投射采集模块的工作方法包括：

采用多步相移法，光源单元向被测物体依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像，n大于2。

优选的，所述第一计算模块包括：

包裹相位计算组件，用于根据第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，根据第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位；

无效区域去除组件，用于去除第一成像单元包裹相位中的无效区域，去除第二成像单元包裹相位中的无效区域；

第一周期计算组件，用于根据预设的第一成像单元视角的周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到第一成像单元包裹相位的真实周期；

物体图像分割组件，用于将第二组被测物体图像按照边缘、灰度变化情况进行分割，得到第二成像单元各个独立的图像碎片；

第二周期计算组件，用于将第二成像单元各个独立的图像碎片采用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位的真实周期上，在第一成像单元包裹相位的真实周期上得到与第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期；

绝对相位计算组件，用于将第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期和第二成像单元包裹相位对应相加，得到第二成像单元的绝对相位；

高度信息计算组件，用于根据第二成像单元的绝对相位和该三维测量系统相位-高度映射关系得到被测物体真实高度信息。

优选的，包裹相位计算组件的计算方法包括：

根据公式

和第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，

根据公式

和第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位，

其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，第二计算模块的计算方法包括：

第二成像单元和第一成像单元采集的被测物体图像行和列对应三维场景中x、y方向的实际距离；

被测物体真实高度信息对应三维场景中z方向的实际高度；

根据三维场景中x、y方向的实际距离和z方向的实际高度生成三维测量结果。

优选的，所述基于结构光的三维测量系统的控制单元还包括周期获取单元，用于获取第一成像单元视角的周期标记线；

所述周期获取单元的获取方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

S102：控制单元根据一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

优选的，所述步骤S101的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向参考平面依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第一组参考平面图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第二组参考平面图像，n大于2。

优选的，所述步骤S102的方法包括：

控制单元根据公式

和第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，所述步骤S103的方法包括：对第一成像单元参考平面的包裹相位腐蚀并作直线检测，得到第一成像单元视角的周期标记线。

本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：在结构光三维测量中，由于物体空间上不连续或者遮挡，在求解真实相位时候，传统的解相方法不能正确求解真实相位，因此基本的相位测量轮廓术对空间不连续的和有遮挡的情况下的三维测量束手无策。本发明基于基本的相位测量轮廓术，结合光源单元位置的第一成像单元，使得相位求解不再依赖空间是否连续，从根本上解决了相位测量轮廓术三维测量方法不能测量空间不连续物体的缺陷。因此，本发明的三维测量方法能适应更复杂的三维测量场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三维测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种三维测量系统中各单元的位置示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三维测量方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种正弦光栅条纹图像；

图5为本发明实施例第一成像单元，第二成像单元、光源单元、被测物体与参考平面关系图；

图6为本发明实施例提供的一种三维测量系统的控制单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本申请的发明原理是：光源单元向被测物体投射一组有固定相移的光栅条纹图像，两个成像单元分别从设定的角度拍摄这组包含相移光栅的被测物体图像，经过计算相位可以得到物体的绝对深度，从而实现三维测量。本申请的方案相比传统结构光三维测量方案，解决了被测物体存在空间不连续和遮挡等情况时的相位截断无法进行三维测量的问题，具有更广泛的实用性。

如图1所示，本发明实施例提供了一种三维测量系统，该三维测量系统包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制。光源单元可以采用DLP投影仪或其他投影设备，第一成像单元和第二成像单元可以采用CCD相机或其他拍摄设备，控制单元可以采用计算机或其他控制设备。光源单元、第一成像单元和第二成像单元均与控制单元连接通信。其中，光源单元与第一成像单元的光心在竖直方向重合或者光源单元与第一成像单元的光心连线平行于光源单元出瞳光轴的法平面。光源单元与第二成像单元光心出轴连线成一定夹角，夹角在在20°～40°之间。其中，第一成像单元可以放置在过光源单元光心，且方向垂直于光栅正弦变化方向，且平行于光栅平面的直线的近似位置，第一成像单元的光心尽可能接近光源单元光心，或者可以通过设置光路让第一成像单元光心与光源单元光心重合。

如图2所示，在本实施例中，将第一成像单元安置在光源单元上方附近且第一成像单元的光心与光源单元的光心在竖直方向上重合，第二成像单元放置在光源单元的一侧，且第二成像单元与光源单元的光轴连线的夹角大于等于20°且小于等于40°，第一成像单元、第二成像单元、光源单元分别与控制单元连接，组成了三维测量系统。

如图3所示，该三维测量系统的测量方法包括：

S11：光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像。

具体的，本实施例中光源单元可以投射正弦变化的结构光，即正弦光栅条纹图像，或者投射余弦变化的结构光，即余弦光栅条纹图像。

具体的，如图4所示的正弦光栅条纹图像，本实施例中采用5步相移法，光源单元向被测物体依次投射n张相移量为2π/5的正弦光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集5张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元依次采集5张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像。这里，第二成像单元拍摄的是由光源单元发出并由被测物体高度调制后的结构光；第一成像单元拍摄的是由光源单元发出并由被测物体调制后的无变形结构光，第一成像单元拍摄的结构光周期连续。

S12：控制单元根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息。

需要说明的是，保持第一成像单元和光源单元位置不变，对被测物体重复投射相移正弦光栅并求解包裹相位，可以得到具有明显规律的相位条纹，因此通过计算机视觉方法结合参考平面相位周期可以得到物体结合光栅后真实的相位周期，此相位包含周期信息但不包含高度信息。计算第二成像单元拍到的被测物体投射结构光后的图像，可以得到被物体高度调制后的包裹相位，由于同一点在两个成像单元成像后其所在周期和相位不变，因此可以将第二成像单元对应相位匹配到第一成像单元从而得到第二成像单元所得到的包裹相位的真实相位。得到第二成像单元拍到的图像的真实相位后就可以根据相位-高度关系得到被测物体的真实高度信息。如果被测物体在没有遮挡和跳变位置光栅是连续的，在连续区域可以依据匹配的附近点相位作为参考进行相位展开，因此并非每个点都需要用匹配的方式进行相位展开。

具体的方法包括：

S121：根据第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，根据第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位；

具体的，步骤S121的方法包括：

根据公式

和第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，

根据公式

和第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。进行包裹相位的计算，是因为该三维测量方法需要进行相位展开，展开对象为第二成像单元的包裹相位，展开并得到绝对相位，经过绝对相位和绝对高度的映射关系得到被测物体的高度信息。

S122：去除第一成像单元包裹相位中的无效区域，去除第二成像单元包裹相位中的无效区域；

具体的，根据遮挡区域相位离散的特征去除遮挡和阴影区域，具体的方法：被遮挡区域由于没有结构光覆盖，因此经过上述公式计算后表现为随机噪声，使用固定尺寸的图像滤波器对滤波器内相位值进行统计，方差和x轴方向二阶偏导数较大的点可以认为是阴影区域或者无效区域。

S123：根据预设的第一成像单元视角的周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到第一成像单元包裹相位的真实周期；

具体的，由于光路可逆原理，三维测量系统中有无物体在第一成像单元看来包裹相位是近似的，所以根据周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到连续的周期。具体的，根据计算得到并存储的第一成像单元视角的周期标记线，第一成像单元视角的周期标记线覆盖到第一成像单元包裹相位可以得到第一成像单元包裹相位经过第一成像单元视角的周期标记线标记，表现为各包裹相位被一条第一成像单元视角的周期标记线的直线穿过，各包裹相位所在实际周期与对应的第一成像单元视角的周期标记线相同，根据这一性质，可以得到第一成像单元各包裹相位所在的实际周期。

S124：将第二组被测物体图像按照边缘、灰度变化情况进行分割，得到第二成像单元各个独立的图像碎片；

具体的，对第二成像单元拍到的无光栅的含有被测物体的图像按照边缘、灰度变化等依据进行分割，得到各自独立的图像碎片。具体的采用分水岭算法与边缘检测算法对测量场景被测物体图片进行分割，结合包裹相位周期的跳变界限得到图像碎片，图像碎片在局部具有物体的空间连续特性，因此可以在局部进行有效的空间相位展开。

S125：将第二成像单元各个独立的图像碎片采用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位的真实周期上，在第一成像单元包裹相位的真实周期上得到与第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期；

具体的，已知第一成像单元拍摄的结构光相位所在周期，经过匹配得到被展开点在第二成像单元处所在相位，可以得到该点在第二成像单元处的相位和周期。具体的，将第二成像单元各个独立的图像碎片用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位上，在第一成像单元包裹相位上可以得到与第二成像单元各个独立的图像碎片对应的真实周期。这里，使用特征点匹配的方式匹配第二成像单元和第一成像单元拍摄被测物体图像的特征点，匹配点对所在的图像碎片所在相位周期局部连续，可以得到同一图像碎片所在的相位周期。图像碎片来自步骤S124。相位周期标记在各图像片上得到第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期。

S126：将第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期和第二成像单元包裹相位对应相加，得到第二成像单元的绝对相位；

其中，第二成像单元包裹相位为步骤S121计算出来的包裹相位，第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期为步骤S125得到的周期标记图。

S127：根据第二成像单元的绝对相位和该三维测量系统相位-高度映射关系得到被测物体真实高度信息。

S13：控制单元根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果。具体的，步骤S13的方法包括：

第二成像单元和第一成像单元采集的被测物体图像行和列对应三维场景中x、y方向的实际距离；

被测物体真实高度信息对应三维场景中z方向的实际高度；

根据三维场景中x、y方向的实际距离和z方向的实际高度生成三维测量结果。

具体的，如图5所示为第一成像单元，第二成像单元、光源单元、被测物体与参考平面关系图，高度H满足公式

AC为参考平面A、C两点距离；L为第一成像单元、第二成像单元、光源单元光心到参考平面距离；d为第二成像单元光心与光源单元光心距离。

需要说明的是，在步骤S11前，还包括步骤S10：获取第一成像单元视角的周期标记线；

具体的，步骤S10的方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

具体的，步骤S101的方法包括：

采用5步相移法，光源单元向参考平面依次投射5张相移量为2π/5的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集5张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第一组参考平面图像，同时第二成像单元依次采集5张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第二组参考平面图像。其中，参考平面是作为物体实际高度的参考。参考平面为三维重建的坐标高度0平面。求解参考平面的相位图用于与测量场景求解的相位对比，测量场景的相位-参考平面的相位差和物体相对参考平面的高度成对应关系。

在初始化场景获取第一组参考平面图像、第二组参考平面图像和在测量场景获取第一组被测物体图像和第二组被测物体图像时，光源单元，第一成像单元、第二成像单元和参考平面的位置保持不变，在测量场景获取第一组被测物体图像和第二组被测物体图像时，将被测物体放置于参考平面前端测量被测物体。

S102：控制单元根据第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

具体的，步骤S102的方法包括：

控制单元根据公式

和第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

具体的方法包括：对第一成像单元参考平面的包裹相位腐蚀并作直线检测，得到第一成像单元视角的周期标记线。第一成像单元按照上面的公式进行求解得到相对第一成像单元方向纵向分布的包裹相位，相邻周期会产生一个周期的相位跳变，相邻的跳变间隔为一个包裹相位周期，通过图形学腐蚀和直线检测可以得到该周期的标记线。

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

具体的，使用霍夫线检测方式，选取最佳的直线，并删除与被选线相似的其他线，相似线的判断标准为：直线在x轴截距差小于半个包裹相位周期即认为是一簇线，只需保留一个。

如图6所示，本发明还提供一种基于结构光的三维测量系统，包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，所述光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制；所述第一成像单元的光心与所述光源单元的光心完全重合或者在竖直方向上重合，所述第二成像单元放置在所述光源单元的一侧，且所述第二成像单元的光心延长线与所述光源单元的光轴延长线夹角大于等于20°且小于等于40°，所述控制单元包括：

投射采集模块21，用于控制光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时控制第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时控制第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像；

第一计算模块22，用于根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息；

第二计算模块23，用于根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果。

优选的，投射采集模块21的工作方法包括：

采用多步相移法，光源单元向被测物体依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像，n大于2。

优选的，所述第一计算模块22包括：

包裹相位计算组件，用于根据第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，根据第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位；

无效区域去除组件，用于去除第一成像单元包裹相位中的无效区域，去除第二成像单元包裹相位中的无效区域；

第一周期计算组件，用于根据预设的第一成像单元视角的周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到第一成像单元包裹相位的真实周期；

物体图像分割组件，用于将第二组被测物体图像按照边缘、灰度变化情况进行分割，得到第二成像单元各个独立的图像碎片；

第二周期计算组件，用于将第二成像单元各个独立的图像碎片采用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位的真实周期上，在第一成像单元包裹相位的真实周期上得到与第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期；

绝对相位计算组件，用于将第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期和第二成像单元包裹相位对应相加，得到第二成像单元的绝对相位；

高度信息计算组件，用于根据第二成像单元的绝对相位和该三维测量系统相位-高度映射关系得到被测物体真实高度信息。

优选的，包裹相位计算组件的计算方法包括：

根据公式

和第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，

根据公式

和第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位，

其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，第二计算模块23的计算方法包括：

第二成像单元和第一成像单元采集的被测物体图像行和列对应三维场景中x、y方向的实际距离；

被测物体真实高度信息对应三维场景中z方向的实际高度；

根据三维场景中x、y方向的实际距离和z方向的实际高度生成三维测量结果。

优选的，所述基于结构光的三维测量系统的控制单元还包括周期获取单元，用于获取第一成像单元视角的周期标记线；

所述周期获取单元的获取方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

S102：控制单元根据一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

优选的，所述步骤S101的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向参考平面依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第一组参考平面图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第二组参考平面图像，n大于2。

优选的，所述步骤S102的方法包括：

控制单元根据公式

和第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

优选的，所述步骤S103的方法包括：对第一成像单元参考平面的包裹相位腐蚀并作直线检测，得到第一成像单元视角的周期标记线。

图6所对应实施例中特征的说明可以参见图1-图5所对应实施例的相关说明，这里不再一一赘述。

以上对本发明实施例所提供的一种基于结构光的三维测量方法及系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (9)

1.一种基于结构光的三维测量方法，其特征在于，应用于三维测量系统，所述三维测量系统包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，所述光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制；所述第一成像单元的光心与所述光源单元的光心完全重合或者在竖直方向上重合，所述第二成像单元放置在所述光源单元的一侧，且所述第二成像单元与所述光源单元的光心出轴连线的夹角大于等于20°且小于等于40°，所述测量方法包括：

S11：光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像；

S12：控制单元根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息；

S13：控制单元根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果；

所述步骤S11前，还包括步骤S10：获取第一成像单元视角的周期标记线；

所述步骤S10的方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

S102：控制单元根据一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

2.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S11的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向被测物体依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像，n大于2。

3.根据权利要求2所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S12的方法包括：

S121：根据第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，根据第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位；

S122：去除第一成像单元包裹相位中的无效区域，去除第二成像单元包裹相位中的无效区域；

S123：根据预设的第一成像单元视角的周期标记线对第一成像单元包裹相位解相，得到第一成像单元包裹相位的真实周期；

S124：将第二组被测物体图像按照边缘、灰度变化情况进行分割，得到第二成像单元各个独立的图像碎片；

S125：将第二成像单元各个独立的图像碎片采用计算机视觉识别算法匹配到第一成像单元包裹相位的真实周期上，在第一成像单元包裹相位的真实周期上得到与第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期；

S126：将第二成像单元各个独立的图像碎片相对应的真实周期和第二成像单元包裹相位对应相加，得到第二成像单元的绝对相位；

S127：根据第二成像单元的绝对相位和该三维测量系统相位-高度映射关系得到被测物体真实高度信息。

4.根据权利要求3所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S121的方法包括：

根据公式

和第一组被测物体图像计算第一成像单元包裹相位，

根据公式

和第二组被测物体图像计算第二成像单元包裹相位，

其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

5.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S13的方法包括：

第二成像单元和第一成像单元采集的被测物体图像行和列对应三维场景中x、y方向的实际距离；

被测物体真实高度信息对应三维场景中z方向的实际高度；

根据三维场景中x、y方向的实际距离和z方向的实际高度生成三维测量结果。

6.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S101的方法包括：

采用多步相移法，光源单元向参考平面依次投射n张相移量为2π/n的光栅条纹图像，同时第一成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第一组参考平面图像，同时第二成像单元依次采集n张投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得第二组参考平面图像，n大于2。

7.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S102的方法包括：

控制单元根据公式

和第一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位，其中，N为相移步数，I_n为第n步相移时的图像。

8.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S103的方法包括：对第一成像单元参考平面的包裹相位腐蚀并作直线检测，得到第一成像单元视角的周期标记线。

9.一种基于结构光的三维测量系统，其特征在于，包括光源单元、第一成像单元、第二成像单元和控制单元，所述光源单元、第一成像单元和第二成像单元均由控制单元控制；所述第一成像单元的光心与所述光源单元的光心完全重合或者在竖直方向上重合，所述第二成像单元放置在所述光源单元的一侧，且所述第二成像单元与所述光源单元的光心出轴连线的夹角大于等于20°且小于等于40°，所述控制单元包括：

投射采集模块，用于控制光源单元向被测物体投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时控制第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第一组被测物体图像，同时控制第二成像单元采集投射光栅条纹图像后的被测物体图像，获得第二组被测物体图像；

第一计算模块，用于根据第一组被测物体图像、第二组被测物体图像和预设的第一成像单元视角的周期标记线计算被测物体的真实高度信息；

第二计算模块，用于根据被测物体的真实高度信息获得被测物体的三维测量结果；

所述基于结构光的三维测量系统的控制单元还包括周期获取单元，用于获取第一成像单元视角的周期标记线；

所述周期获取单元的获取方法包括：

S101：光源单元向参考平面投射一组具有固定相移量的光栅条纹图像，同时第一成像单元采集投射光栅条纹图像后的参考平面图像，获得一组参考平面图像；

S102：控制单元根据一组参考平面图像计算第一成像单元参考平面的包裹相位；

S103：控制单元根据第一成像单元参考平面的包裹相位计算第一成像单元视角的周期标记线；

S104：控制单元对第一成像单元视角的周期标记线进行有效性筛选，获得最终的第一成像单元视角的周期标记线。

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