CN110849290A - 基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，本发明的优点是：(1)与传统的正弦条纹加相位编码投影方法相比，传统的方法需要分别投影三帧正弦条纹(每帧相移120°)和三帧相位编码条纹(每帧相移120°)，本发明的方法只需要投影三帧正弦条纹(每帧相移120°)和一帧强度编码光栅条纹，极大地提高了三维测量速度；(2)本方法通过特定的编码序列来调制量化编码强度；(3)本发明的方法将调制后的量化编码强度嵌入到1幅正弦条纹中，并使用连续的3位码字确定当前周期条纹级次，极大地提高了条纹级次的准确性和三维测量精度；(4)本发明的方法可用于动态测试，在实时人机交互和虚拟现实等相关领域具有潜在的应用前景。

Description

基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法

技术领域

本发明涉及基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，属于光电检测领域。

背景技术

条纹投影轮廓术因其高速、高精度、非接触、全场测量、快速信息获取等优点，在三维测量中有重要意义，已广泛应用于工业制造、文物保护、医疗等诸多领域。随着科技的发展，人们对光学的方式测量物体的三维数据要求不断提高，重建精度的要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，国内外研究者开始对条纹的类型、反射率、强度、对比度等进行研究，以扩大测量对象的范围，以及解决测量结果不理想的问题。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，传统的基于相移的2π跳变点，必须用解包裹算法进行解包裹得到绝对相位，之后才能进行三维重建。然而，对于有复杂外形或纹理的物体，如何快速、实时实现绝对相位的恢复依然是个巨大的挑战。

传统的相位编码方法需要两组条纹，一组是用于得到包裹相位的正弦条纹，另一组是用于得到条纹级次的相位编码条纹。当对N个周期的包裹相位进行解包裹时，需要嵌N个码字到编码相位中。编码相位均匀分布在[-π,π],被分成N个级别依次递增顺序排列，每个相位确定一个码字。然而，如果我们把编码相位设置成更多的级别用于产生更多的码字，因为系统的非线性影响，相邻编码相位的差异太小反而不能保证码字的正确识别。相反，如果减少码字的数量，意味着增大正弦条纹周期，这会产生更大的相位误差，导致测量精度降低。为了解决这个问题，有学者提出可以利用两组甚至多组相位编码条纹，产生更多的码字，提高测量精度。但是这却要花费更多的时间，导致无法实现快速测量。因此，要在不增加投影条纹帧数的同时，尽可能的增加码字，已成为快速、实时和高精度的三维测量的突破口。

本发明提出的基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，此方法只需投射3帧正弦条纹和1帧量化强度编码条纹，可以产生比传统相位编码方法更多的码字，耗时短，从而提高测量精度，适合快速，实时三维测量的场合。除此之外，传统相位编码方法，仅使用1位码字确定条纹级次。而本发明用一种结合当前周期及其相邻周期的量化强度编码方法来确定条纹级次，提高识别准确性。

发明内容

本发明的目的在于提出基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，此方法较传统的正弦条纹加相位编码的三维测量方法，在测量精度和精度上有了明显提高，适合复合物体的动态三维测量场合。

本发明通过以下技术方案实现，基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，包括三维测量系统和具体操作步骤，其中，

所述的三维测量系统包括DLP投影仪、黑白CCD、工作站、测量支架、参考平面和待测物体，DLP投影仪和黑白CCD放在测量支架上，DLP投影仪和黑白CCD分别通过数据线连接工作站，待测物体放在参考平面上，工作站内包含图像采集卡、投影软件和测量软件。

所述的具体操作步骤如下：

(一)编写正弦条纹

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹图：

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位，生成I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)三幅正弦条纹图。

(二)编写分段量化强度编码条纹

为了产生这种量化强度编码条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小一次递增排序，例如我们把量化级别设置为M＝6(M为整数)，3位码的奇数组合是‘135’，偶数组合是‘246’，然后将这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS：‘135246’，根据实际需要，可以把整个DLP投影仪水平方向的像素分成N段(N为整数)，每段的量化编码强度值大小都由编码序列CS调制得到，量化的编码强度条纹可以用下式表示：

其中x为投影仪水平方向的像素点，C(x,y)为计算得到编码序列的码字，I'(x,y)为平均亮度，I”(x,y)为调制亮度，生成的A(x,y)即为量化的编码强度条纹图。

(三)采集图片

用DLP投影仪依次投射上述生成的正弦条纹和量化的强度编码条纹于参考平面和待测物体上，用黑白CCD采集这两组图片，将结果送入工作站中。

(四)三维重建

根据(一)结果，由三步相移法计算得到截断相位：

根据(二)结果，经取整运算后得到最终的量化编码的码字：

形态学算法操作消除码字中的错误，以便用于模板匹配：

1)使用3×3开运算预处理操作消除孤立误差

2)使用3×3开运算提取连通区域，将其拼接在一起

3)洪水填充

4)确定缺陷位置的最大宽度

5)扩张及形态修复

条纹级次识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

这些二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布，在编码序列CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域，对每个掩码L_i，仅使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域，从而唯一确定出具有代码i和标记j的连通区域R_ij，在同一个连通区域R_ij内的所有点具有相同的条纹级次，所以，只要确定连通区域质心点的条纹级次，那么在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都能可以确定，在标记操作执行完，任意一个连通区域内的质心就很容易求得，记为(x_ij,y_ij)，则该区域内的码字为C_current＝i，进一步求得R_ij内y_ij行的左端点x_ij ^L和右端点x_ij ^R，则前一个连通区域的码字为C_fo_rmer＝C(x_ij ^L-1,y_ij)，后一个连通区域的码字为C_latter＝C(x_ij ^R+1,y_ij)。

最终，计算得到连续3位码字C_former C_current C_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次K，条纹级次K的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位。

根据上述方法，通过解相位公式：

进行相位解包裹，分别得到参考平面的连续相位值α和待测物体的连续相位值β，

通过公式：

得到待测物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到待测物体表面每一点的高度信息。

本发明的优点是：

(1)与传统的正弦条纹加相位编码条纹投影方法相比：传统方法单调有限地量化编码相位以产生唯一的码字，仅使用1位码字确定当前周期条纹级次，本发明的方法通过特定的编码序列CS来调制量化编码强度，特定的编码规则所得解码的准确性得以大大提高；

(2)本发明的方法将调制后的量化强度编码嵌入到1帧光栅条纹中，并使用连续的3位码字确定当前周期条纹级次，极大地提高了条纹级次的准确性和三维测量精度；

(3)由于仅使用1幅强度编码条纹图，相位信息少，很容易受到噪声的影响，本发明的方法通过使用形态学算法操作，可以消除码字中的错误，使其可以用于下一步的处理中；

(4)根据实际测量需要，本发明的方法可以产生较多的码字，测量精度高，鲁棒性好，在复杂物体较大物体、带有单一颜色物体的三维测量中具有潜在的应用前景和使用价值。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图；

图2为本发明的三幅正弦条纹图；

图3为本发明的量化编码强度图；

图4为本发明的量化强度编码条纹图；

图5为本发明的条纹级次K的确定准则图；

其中图1中，1、DLP投影仪，2、黑白CCD，3、工作站，4、测量支架，5、参考平面，6、待测物体。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例的基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，包括三维测量系统和具体操作步骤。如图1所示，三维测量系统包括DLP投影仪、黑白CCD、工作站、测量支架、参考平面和待测物体。DLP投影仪和黑白CCD放在测量支架上，DLP投影仪、黑白CCD分别通过数据线连接工作站，待测物体放在参考平面上，工作站内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。

具体操作步骤如下：

(一)编写正弦条纹

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹图：

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位，生成I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)三幅正弦条纹图，如图2所示。

(二)编写分段量化编码强度条纹

为了产生这种量化强度编码条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小一次递增排序，例如我们把量化级别设置为M＝6(M为整数)，3位码的奇数组合是‘135’，偶数组合是‘246’，然后将这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS：‘135246’，根据实际需要，可以把整个DLP投影仪水平方向的像素分成N段(N为整数)，每段的量化编码强度值大小都由编码序列CS调制得到，量化的编码强度条纹可以用下式表示：

其中x为投影仪水平方向的像素点，C(x,y)为计算得到编码序列的码字，I'(x,y)为平均亮度，I”(x,y)为调制亮度，生成的A(x,y)即为量化的强度编码条纹图，如图4所示。

(三)采集图片

用DLP投影仪依次投射上述生成的正弦条纹和量化的强度编码条纹于参考平面和待测物体上，用黑白CCD采集这两组图片，将结果送入工作站中。

(四)三维重建

根据(一)结果，由三步相移法计算得到截断相位：

根据(二)结果，经取整运算后得到最终的量化编码的码字：

形态学算法操作消除码字中的错误，以便用于模板匹配：

1)使用3×3开运算预处理操作消除孤立误差

2)使用3×3开运算提取连通区域，将其拼接在一起

3)洪水填充

4)确定缺陷位置的最大宽度

5)扩张及形态修复

条纹级次识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

这些二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布，在编码序列CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域，对每个掩码L_i，仅使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域，从而唯一确定出具有代码i和标记j的连通区域R_ij，在同一个连通区域R_ij内的所有点具有相同的条纹级次，所以，只要确定连通区域质心点的条纹级次，那么在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都能可以确定，在标记操作执行完，任意一个连通区域内的质心就很容易求得，记为(x_ij,y_ij)，则该区域内的码字为C_current＝i，进一步求得R_ij内y_ij行的左端点x_ij ^L和右端点x_ij ^R，则前一个连通区域的码字为C_fo_rmer＝C(x_ij ^L-1,y_ij)，后一个连通区域的码字为C_latter＝C(x_ij ^R+1,y_ij)。

最终，计算得到连续3位码字C_formerC_currentC_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次K，条纹级次K的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位。确定准则如图5所示。

根据上述方法，通过解相位公式：

进行相位解包裹，分别得到参考平面的连续相位值α和待测物体的连续相位值β，

通过公式：

得到待测物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到表面每一点的高度信息。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法，其特征在于，包括三维测量系统和具体操作步骤，其中，

所述的三维测量系统包括DLP投影仪、黑白CCD、工作站、测量支架、参考平面和待测物体，DLP投影仪和黑白CCD放在测量支架上，DLP投影仪和黑白CCD分别通过数据线连接工作站，待测物体放在参考平面上，工作站内包含图像采集卡、投影软件和测量软件；

所述的具体操作步骤如下：

(一)编写正弦条纹

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹图：

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位，生成I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)三幅正弦条纹图；

(二)编写分段量化强度编码条纹

为了产生这种量化编码强度条纹，码字根据奇偶分成两组，并根据大小一次递增排序，例如我们把量化级别设置为M＝6(M为整数)，3位码的奇数组合是‘135’，偶数组合是‘246’，然后将这两组3位码组合成一个6位的编码序列CS：‘135246’，根据实际需要，可以把整个DLP投影仪水平方向的像素分成N段(N为整数)，每段的量化编码强度值大小都由编码序列CS调制得到，量化的编码强度条纹可以用下式表示：

其中x为DLP投影仪水平方向的像素点，C(x,y)为计算得到编码序列的码字，I'(x,y)为平均亮度，I”(x,y)为调制亮度，生成的A(x,y)即为量化的编码强度条纹图；

(三)采集图片

用DLP投影仪依次投射上述生成的正弦条纹和量化的编码强度条纹于参考平面和待测物体上，用黑白CCD采集这两组图片，将结果送入工作站中；

(四)三维重建

根据(一)结果，由三步相移法计算得到截断相位：

根据(二)结果，经取整运算后得到最终的量化编码的码字：

形态学算法操作消除码字中的错误，以便用于模板匹配：

1)使用3×3开运算预处理操作消除孤立误差

2)使用3×3开运算提取连通区域，将其拼接在一起

3)洪水填充

4)确定缺陷位置的最大宽度

5)扩张及形态修复

条纹级次识别：利用连通区域标记原理，根据计算得到的码字，从码字图映射创建6个二进制掩码：

这些二进制掩码被用来确定不同码字区域的分布，在编码序列CS中，一个码字会出现多次，因此将存在几个具有相同码值的条纹和几个相同二进制掩码的连通区域，对每个掩码L_i，仅使用标记操作，用唯一的标记值来标记每个连通区域，从而唯一确定出具有代码i和标记j的连通区域R_ij，在同一个连通区域R_ij内的所有点具有相同的条纹级次，所以，只要确定连通区域质心点的条纹级次，那么在该点所处连通区域内的所有其他点的条纹级次也都能可以确定，在标记操作执行完，任意一个连通区域内的质心就很容易求得，记为(x_ij,y_ij)，则该区域内的码字为C_current＝i，进一步求得R_ij内y_ij行的左端点x_ij ^L和右端点x_ij ^R，则前一个连通区域的码字为C_fo_rmer＝C(x_ij ^L-1,y_ij)，后一个连通区域的码字为C_latter＝C(x_ij ^R+1,y_ij)；

最终，计算得到连续3位码字C_formerC_currentC_latter后，就可以确定其当前周期C_current的条纹级次K，条纹级次K的确定变成编码序列CS中连续3位码字的顺序位置定位；

根据上述方法，通过解相位公式：

进行相位解包裹，分别得到参考平面的连续相位值α和待测物体的连续相位值β，

通过公式：

得到待测物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到待测物体表面每一点的高度信息。

Images