CN110645919B - 一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体是一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，步骤S1：采用计算机生成三幅正弦相移条纹和一幅空域二值编码条纹；步骤S2：采用投影仪将所有条纹图像依次投射至被测物体表面，通过摄像机同步采集调制后的所有条纹图像；步骤S3：将采集到的所有条纹图像传送给计算机，计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)，步骤S4：逐个确定每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)；步骤S5：对截断相位φ(x,y)进行相位解包裹操作；计算得到被测物体的绝对相位ψ(x,y)，重建出被测物体的三维形貌信息，本发明只需要一幅编码条纹便可实现相位解包裹，测量速度更快，同时能够有效避免截断相位和条纹级次的非对齐误差，准确性和鲁棒性更高。

Description

一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法
技术领域
本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体是一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法。
背景技术
结构光三维测量技术具有非接触、精度高、速度快、结构简单等优点，广泛应用工业检测、生物医学、农业工程等领域。结构光三维测量系统一般包括投影仪、摄像机和计算机三个部分，其测量流程如下：首先投影仪将条纹图案投射至被测物体表面，摄像机同步采集变形后的条纹图像；然后计算机对条纹图像进行条纹分析，恢复出物体的绝对相位；根据三角测量原理，将绝对相位映射至物体空间，重建出物体的三维形貌。常用的条纹分析方法包括相移法、傅里叶变换、小波变换等，其中相移法具有计算简单、鲁棒性强、准确性高等优势，比较适用于测量具有复杂形貌的物体。然而，上述几种条纹分析方法只能计算出条纹的截断相位，需要进一步地进行相位解包裹，恢复出物体的绝对相位。常用的相位解包裹方法包括格雷码、相位编码、多频、多波长等，其中格雷码属于二值编码方式，目前应用最为广泛。但这些方法一般需要额外投射三幅及以上的编码条纹，不利于实时在线测量。特别地，对于格雷码，解包N个条纹周期至少需要ceil(log2N)幅编码条纹。因此，如何使用最少数目的编码条纹实现相位解包裹，将有利于提高整个系统的三维测量速度，具有重要的实用价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，包括有以下步骤：
步骤S1：采用计算机根据三步相移算法生成三幅正弦相移条纹，根据空域二值编码原理生成一幅空域二值编码条纹；
步骤S2：采用投影仪将步骤S1中生成空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹依次投射至被测物体表面，通过摄像机同步采集调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹；
步骤S3：将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，并计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)；
步骤S4：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分割出若干个条纹周期T，结合空域二值编码条纹，逐个确定每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)；
步骤S5：对截断相位φ(x,y)进一步地进行相位解包裹操作，结合截断相位φ(x,y)和条纹级次k(x,y)，计算得到被测物体的绝对相位ψ(x,y)，将被测物体的绝对相位ψ(x,y)减去参考平面的绝对相位，便能够重建出被测物体的三维形貌信息。
进一步的，所述步骤S4中计算条纹级次k(x,y)，包括有以下步骤：
步骤S41：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分别计算出两个掩模区域：
Figure GDA0002932861290000021
Figure GDA0002932861290000022
步骤S42：U(x,y)的第m个连通域Um和V(x,y)的第n个连通域Vn是否存在一定重叠，是，则判定连通域Um和连通域Vn属于同一个条纹周期T，这样就可以分割出各个条纹周期T,否，判定连通域Um和连通域Vn不属于同一个条纹周期T；
其中m和n分别为U(x,y)的某个连通域的次序和V(x,y)的某个连通域的次序；
步骤S43：属于同一个条纹周期T的连通域Um和连通域Vn结合空域二值编码条纹，便可分割出每个条纹周期T所对应的二值码元，然后根据条纹级次k(x,y)与二值码元的一一对应关系，便可以得到每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)。
进一步的，所述步骤S1中的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
Figure GDA0002932861290000031
其中a和b为常数，P为投影仪的像素，n为正弦相移条纹的数量；
进一步的，所述步骤S2中的采集调制后的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/3],(n＝1,2,3).......(4)
其中A(x,y)为背景强度，B(x,y)为调制强度。
进一步的，所述步骤S3中摄像机将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，利用三步相移算法计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)：
Figure GDA0002932861290000032
其中I1、I2、I3分别为三幅变形正弦相移条纹图像In(x,y)的强度；
由于上式中包括反正切函数，计算得到的φ(x,y)其取值区间为[0,2π]。
进一步的，所述步骤S5中被测物体的绝对相位ψ(x,y)的计算公式为
ψ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)....................(6)
进一步的，所述步骤S1中正弦相移条纹的强度表达式中的a和b均为0.5。
进一步的，所述步骤S41中的δ取值为π/2。
本发明通过改进在此提供一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
其一：本发明所述的结构光三维测量方法只需要一幅编码条纹便可实现相位解包裹，而传统格雷码等方法一般需要三幅及以上编码条纹，因此本发明的测量速度更快。
其二：本发明所述的结构光三维测量方法结合截断相位和空域二值编码条纹计算条纹级次，同时能够有效避免截断相位和条纹级次的非对齐误差，准确性和鲁棒性更高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
图1为本发明的结构光三维测量的系统示意图；
图2为本发明的结构光三维测量的处理流程图；
图3为本发明展示一个空域二值编码实例的示意图；
图4为本发明展示其中一幅正弦相移条纹与截断相位的示意图；
图5为本发明展示截断相位的某一行分布曲线的示意图；
图6为本发明的检出被测物体实例的三维形貌示意图；
图7为本发明的流程图；
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，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，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，如图1-图7所示，包括有以下步骤：
步骤S1：采用计算机根据三步相移算法生成三幅正弦相移条纹，根据空域二值编码原理生成一幅空域二值编码条纹；
其空域二值编码原理如下：
假设正弦相移条纹包括N个条纹周期，首先将各个条纹周期被均分为M＝ceil(log2 N)个区域；每个区域对应二值编码条纹中的一位二值码(0或1)，其中二值码0表示黑色条纹，二值码1表示白色条纹；这样每个条纹周期就对应一个的M位二值码元，所有M位二值码元就构成一个码元集合，每个M位二值码在码元集合中有且只出现一次。这里以N＝8为例，条纹级次k＝0,1,2,3,4,5,6,7分别对应8个3位二值码元，这些二值码元构成一个码元集合{000,001,010,011,100,101,110,111}，每个3位二值码元在码元集合有且只出现一次。通过建立条纹级次k(x,y)与二值码元的一一对应关系，并将二值码元按照条纹级次k(x,y)嵌入到一幅图像中，便获得二值编码条纹；通过从二值编码条纹中提取二值码元，根据条纹级次k(x,y)与二值码元的对应关系，便可以恢复出条纹级次k(x,y)，注意，调整条纹级次k(x,y)的二值码元的对应次序，并不影响本发明的编码效果。
步骤S2：采用投影仪将步骤S1中生成空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹依次投射至被测物体表面，通过摄像机同步采集调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹；
步骤S3：将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，并计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)；
图4展示了其中一幅正弦相移条纹图像与截断相位图像。图5展示了截断相位的某一行分布曲线，可以看出截断相位φ(x,y)的取值范围是[0,2π]，存在多个2π相位跳变点。
步骤S4：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分割出若干个条纹周期T，结合空域二值编码条纹，逐个确定每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)，分别计算出两个掩模区域，分割出各个条纹周期T，如果U(x,y)的第m个连通域Um和V(x,y)的第n个连通域Vn存在重叠，则可判定Um和Vn属于同一个条纹周期T，这样就可以分割出各个条纹周期T。
结合图4中的空域二值编码条纹，便可分割出每个条纹周期T所对应的二值码元，根据图3所示的条纹级次k(x,y)与二值码元的一一对应关系，便可以得到每个条纹周期对应的条纹级次k(x,y)，如图4所示，例如，4位二值码元0010,0101,1101分别对应条纹级次k＝4,5,6，如图5所示。
步骤S5：对截断相位φ(x,y)进一步地进行相位解包裹操作，结合截断相位φ(x,y)和条纹级次k(x,y)，计算得到被测物体的绝对相位ψ(x,y)，将被测物体的绝对相位ψ(x,y)减去参考平面的绝对相位，便能够重建出被测物体的三维形貌信息，其中x和y为像素点的图像坐标值；
所述步骤S4中计算条纹级次k(x,y)，包括有以下步骤：
步骤S41：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分别计算出两个掩模区域：
Figure GDA0002932861290000061
Figure GDA0002932861290000062
步骤S42：U(x,y)的第m个连通域Um和V(x,y)的第n个连通域Vn是否存在一定重叠，是，则判定连通域Um和连通域Vn属于同一个条纹周期T，这样就可以分割出各个条纹周期T,否，判定连通域Um和连通域Vn不属于同一个条纹周期T；
其中m和n分别为U(x,y)的某个连通域的次序和V(x,y)的某个连通域的次序；
步骤S43：属于同一个条纹周期T的连通域Um和连通域Vn结合空域二值编码条纹，便可分割出每个条纹周期T所对应的二值码元，然后根据条纹级次k(x,y)与二值码元的一一对应关系，便可以得到每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)。
所述步骤S1中的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
Figure GDA0002932861290000071
其中a和b为常数，P为投影仪的像素，n为正弦相移条纹的数量；
一般情况下a＝b＝0.5，T表示条纹周期，以16个条纹周期的正弦相移条纹为例，根据空域二值编码原理，其条纹级次：
k＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15分别对应的16个4位二值码元，总共16个4位二值码元构成一个码元集合：
{0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111}，每个4位二值码元在码元集合有且只出现一次，通过建立条纹级次k(x,y)与4位二值码元就构成了一一对应关系，并将4位二值码元按照条纹级次k(x,y)嵌入到一幅图像中，其中二值码0表示黑色条纹，二值码1表示白色条纹，便获得二值编码条纹。调整4位二值码元与条纹级次k(x,y)的对应次序，并不影响本发明的编码效果,图3展示了一个空域二值编码的实例。
所述步骤S2中的采集调制后的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/3],(n＝1,2,3).......(4)
其中A(x,y)为背景强度，B(x,y)为调制强度；
所述步骤S3中摄像机将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，利用三步相移算法计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)：
Figure GDA0002932861290000072
其中I1、I2、I3分别为三幅变形正弦相移条纹图像In(x,y)的强度；
由于上式中包括反正切函数，计算得到的φ(x,y)其取值区间为[0,2π]。
所述步骤S5中被测物体的绝对相位ψ(x,y)的计算公式为
ψ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)....................(6)
所述截断相位φ(x,y)和条纹级次k(x,y)得到绝对相位，并通过三角测距原理求解得到目标物体在坐标系中的三维信息：
所述步骤S1中正弦相移条纹的强度表达式中的a和b均为0.5，图4展示了绝对相位图像，图5展示了绝对相位的某一行分布曲线，可以看出绝对相位曲线平滑，不再存在2π相位跳变点。
U(x,y)的第m个连通域Um和V(x,y)的第n个连通域Vn是否存在一定重叠，是，则判定连通域Um和连通域Vn属于同一个条纹周期T，这样就可以分割出各个条纹周期T。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：包括有以下步骤：
步骤S1：采用计算机根据三步相移算法生成三幅正弦相移条纹，根据空域二值编码原理生成一幅空域二值编码条纹；
步骤S2：采用投影仪将步骤S1中生成空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹依次投射至被测物体表面，通过摄像机同步采集调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹；
步骤S3：将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，并计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)；
步骤S4：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分割出若干个条纹周期T，结合空域二值编码条纹，逐个确定每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)；
步骤S5：对截断相位φ(x,y)进一步地进行相位解包裹操作，结合截断相位φ(x,y)和条纹级次k(x,y)，计算得到被测物体的绝对相位ψ(x,y)，将被测物体的绝对相位ψ(x,y)减去参考平面的绝对相位，便能够重建出被测物体的三维形貌信息。
所述步骤S4中计算条纹级次k(x,y)，包括有以下步骤：
步骤S41：利用截断相位φ(x,y)进行条纹周期T分割，分别计算出两个掩模区域：
Figure FDA0002932861280000011
Figure FDA0002932861280000012
步骤S42：U(x,y)的第m个连通域Um和V(x,y)的第n个连通域Vn是否存在一定重叠，是，则判定连通域Um和连通域Vn属于同一个条纹周期T，这样就可以分割出各个条纹周期T,否，判定连通域Um和连通域Vn不属于同一个条纹周期T；
其中m和n分别为U(x,y)的某个连通域的次序和V(x,y)的某个连通域的次序；
步骤S43：属于同一个条纹周期T的连通域Um和连通域Vn结合空域二值编码条纹，便可分割出每个条纹周期T所对应的二值码元，然后根据条纹级次k(x,y)与二值码元的一一对应关系，便可以得到每个条纹周期T对应的条纹级次k(x,y)。
2.根据权利要求1所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S1中的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
Figure FDA0002932861280000021
其中a和b为常数，P为投影仪的像素，n为正弦相移条纹的数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S2中的采集调制后的正弦相移条纹的强度表达式表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/3],(n＝1,2,3).......(4)
其中A(x,y)为背景强度，B(x,y)为调制强度。
4.根据权利要求1所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S3中摄像机将采集到的调制后的空域二值编码条纹和所有正弦相移条纹传输至计算机，利用三步相移算法计算出正弦相移条纹的截断相位φ(x,y)：
Figure FDA0002932861280000022
其中I1、I2、I3分别为三幅变形正弦相移条纹图像In(x,y)的强度；
由于上式中包括反正切函数，计算得到的φ(x,y)其取值区间为[0,2π]。
5.根据权利要求1所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S5中被测物体的绝对相位ψ(x,y)的计算公式为：
ψ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)....................(6)
6.根据权利要求2所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S1中正弦相移条纹的强度表达式中的a和b均为0.5。
7.根据权利要求1所述的一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法，其特征在于：所述步骤S41中的δ取值为π/2。
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