CN111060028B - 一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法 - Google Patents

一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法 Download PDF

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Abstract

一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，在测量对象上投影多组不同强度范围的具有正弦边缘的类梯形条纹图，拍照捕获得到多组条纹图像；按照亮度进行排序，分解出均匀光图像和正弦光图像，得到每组图像的子区域序数；使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像的强度响应模型，得到强度响应模型参数；接着获得真实投影强度；根据真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位；根据子区域相位和子区域序数得到包裹相位；根据包裹相位和子区域序数得到绝对相位，根据绝对相位得到测量对象的表面点在投影仪像素和相机像素的位置，根据三角测距重建得到测量对象的物体表面模型。本发明达到在不增加测量时间的情况下有效减低非线性误差，提高测量精度的效果。

Description

一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法
技术领域
本发明涉及光学三维测量技术领域，特别是一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法。
背景技术
光学三维测量技术是一类常用的测量技术，而其中的相移轮廓术(PSP，或称条纹投影轮廓术)因其高速，低成本，非接触和高精度等优点被广泛于工业检测、医疗、文物修复和VR等领域。条纹投影轮廓术三维测量系统由摄像机、投影仪和计算机组成。在测量过程中，投影仪将多幅条纹图案投影到被测物体上，同时使用相机拍摄多幅相应的图像。在这些图像中，投影的条纹被物体表面调制而发生变形，通过一系列的计算对变形的条纹图像进行解调，得到反映物体高度的编码相位信息，最后根据相位信息和预先标定得到的系统参数，使用三角测距法获得被测物体的三维信息，测量过程中使用的条纹图案(也就是结构光)是三维测量得以实现的关键之一，由于现实系统中使用的投影仪投影的光强和照相机对光强响应不可能是完美的线性的，如图2所示，非线性的响应偏离了理论模型，导致了测量误差(如图图3所示，体现为波浪起伏)。传统方法使用大量条纹图案投影来消除非线性误差，但显然这样会极大地增加测量的时间。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，达到在不增加测量时间的情况下有效减低非线性误差，提高测量精度的效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，包括使用复合正弦梯形条纹测量物体的三维信息的过程：
步骤A：在测量对象上投影多组不同强度范围的具有正弦边缘的类梯形条纹图，即结构光，并拍照捕获得到多组条纹图像；
步骤B：对同组的条纹图像的对应像素点按照亮度进行排序，分解出均匀光图像和正弦光图像及其两种图像所对应的像素值，在排序过程中根据像素值得到每组图像的子区域序数；
步骤C：使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像上每个像素点的强度响应模型，得到每个像素点的强度响应模型参数；
步骤D：根据强度响应模型参数得到均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度；
步骤E：根据均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位；
步骤F：根据子区域相位和子区域序数得到正弦光图像的包裹相位；
步骤G：根据包裹相位和子区域相位得到正弦光图像的绝对相位，根据绝对相位得到测量对象的表面点在投影仪像素和相机像素的位置，根据三角测距重建得到测量对象的物体表面模型。
优选的，在步骤C中，使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像上每个像素点的强度响应模型，得到每个像素点的强度响应模型参数，包括使用公式一进行辨识；
Figure GDA0002415653400000031
其中：
IF0，IF1…IF5：拍摄到的三组条纹的非正弦区间像素灰度值；
iF0，iF1…iF5：输入到投影仪的条纹的正弦区间像素灰度值；
(x，y)均表示像素在图像上的坐标；
n表示强度响应模型的阶数；
a0(x，y)…an(x，y)表示强度响应模型的系统参数。
优选的，在步骤D中，根据强度响应模型参数得到均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度；具体包括使用公式二得到真实投影强度；
Figure GDA0002415653400000033
其中：
I′m(x，y)：表示真实投影强度；
Im：表示一组结构光，其中，m＝0，1，2；
(x，y)表示像素在图像上的坐标；
Figure GDA0002415653400000032
Im(x，y)的n次幂；
a0(x，y)…an(x，y)表示强度响应模型的系统参数；
T：表示矩阵的转置。
优选的，在步骤E中，根据均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位，具体包括使用公式三得到子区域相位；
Figure GDA0002415653400000041
其中：
ΦR：该组结构光的子区域相位；
Mod()：求余运算符，即Mod(R+1，2)为R+1以2为底取余数；
Imax、Imed、Imin：分别是该组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值；
R表示该组结构光的子区域数；
αcos表示反余弦函数。
优选的，在步骤F中，根据子区域相位和子区域序数得到正弦光图像的包裹相位，具体包括使用公式四得到包裹相位；
Figure GDA0002415653400000042
其中：
R：表示该组结构光的子区域数；
Φ：表示该组结构光的包裹相位；
ΦR：表示该组结构光的子区域相位。
优选的，在步骤G中，根据包裹相位和子区域相位得到正弦光图像的绝对相位，具体包括使用公式五得到绝对相位；
Figure GDA0002415653400000051
其中：
Figure GDA0002415653400000052
表示绝对相位；
R0表示第一组结构光的子区域数；
R1表示第二组结构光的子区域数；
R2表示第三组结构光的子区域数；
Mod()：求余运算符；
αcos表示反余弦函数；
I′max、I′med、I′min表示同一组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值经过公式二求取得到真实投影强度后进行求取校正后得到的值的最大值、中值和最小值。
本发明的有益效果：
1、提高对投影仪和相机非线性响应的鲁棒性，提高测量精度；
2、相比单单使用梯形条纹，提高了抗投影仪离焦性能；
3、相比单单使用正弦条纹，提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的3幅具有正弦边缘的类梯形条纹的曲线图；
图2是本发明的一个实施例的3幅具有正弦边缘的类梯形条纹图；
图3是本发明的一个实施例的图2按照亮度排序分解得到的2幅均匀光曲线图和1幅正弦光曲线图；
图4是本发明的一个实施例的演变图；
图5是本发明的一个实施例的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
由于现实系统中使用的投影仪投影的光强和照相机对光强响应不可能是完美的线性的，非线性的响应偏离了理论模型，导致了测量误差。传统方法使用大量条纹图案投影来消除非线性误差，但显然这样会极大地增加测量的时间。因此，补偿对于实际应用来说是必要的。本发明通过投影多组不同强度范围的条纹图案，分解出捕获图像中的均匀投影图像来建立系统对应的强度响应模型，进而计算包裹相位。
一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，包括使用复合正弦梯形条纹测量物体的三维信息的过程：
步骤A：在测量对象上投影多组不同强度范围的具有正弦边缘的类梯形条纹图，即结构光，并拍照捕获得到多组条纹图像；
本实施中，通过采用具有正弦边缘的类梯形条纹图，存在两个明显优势，第一个是梯形条纹的上下边缘是平的，这一段平的在实际的编码过程中，相当于投影均匀光，投影一组具有正弦边缘的类梯形条纹图相当于投影了两幅均匀光条纹图和一幅正弦光条纹图；第二是正弦条纹可以对图案中像素的位置进行单方向编码，普通的梯形是连续但是一阶不可导的，而正弦边缘的类梯形条纹图是一阶可导的，使得正弦边缘梯形条纹图在投影仪镜头离焦的情况下具有更好的稳定性。
步骤B：对同组的条纹图像的对应像素点按照亮度进行排序，分解出均匀光图像和正弦光图像及其两种图像所对应的像素值，在排序过程中根据像素值得到每组图像的子区域序数；
步骤B为编码方法，具体的，由3幅具有正弦边缘的类梯形条纹图组成，如图1和图2所示，图2从左到右依次与图1从左到右对应，本方法通过对3幅条纹图的亮度进行排序，从中抽取处两幅均匀光条纹图和一幅正弦光条纹图，如图3所示，接着对上述一组条纹图计算其像素值的子区域序数，对上述一组图像相应位置的像素点按照亮度进行排序，得到子区域序数R，如表一所示；(上述为一组结构光，即3幅具有正弦边缘的类梯形条纹图为示例)；
Figure GDA0002415653400000071
表一
其中：R表示子区域序数，I0、I1、I2：分别是相机拍摄到的同一组结构光中三张条纹图的像素灰度值，max、med、min分别是同一组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值；
步骤C：如图4所示，使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像上每个像素点的强度响应模型，得到每个像素点的强度响应模型参数；
在步骤C中，延伸步骤B的编码方法，以3组结构光为示例得到强度相应模型参数，具体的如下；
按照步骤A，投影三组不同强度范围的复合正弦-梯形条纹(group0，group1，group2)到测量对象上并捕获相应的图像。每组3幅图，共投影9幅图，捕获得到9张图像；
按照步骤B，依照亮度，分别对三组捕获的图像像素强度进行排序，得到对应的均匀光投影下捕获的图像，其像素值依次为IF0、IF1、IF2、IF3、IF4、IF5，每组2幅均匀光，3组共6幅，以及对应的正弦光投影下捕获的对象，其像素值依次为Is0、Is1、Is2，使用IF0、IF1、IF2、IF3、IF4、IF5，来辨识捕获图像上每个像素的强度响应模型，如公式一所示：
Figure GDA0002415653400000081
其中：
IF0，IF1…IF5：拍摄到的三组条纹的非正弦区间像素灰度值，同上一致；
iF0，iF1…iF5：输入到投影仪的条纹的正弦区间像素灰度值；
(x，y)均表示像素在图像上的坐标；
n表示强度响应模型的阶数；
a0(x，y)…an(x，y)表示强度响应模型的系统参数。
步骤D：根据强度响应模型参数得到均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度；
在得到强度相应模型的系统参数后，来对正弦光图像进行修正；由于投影仪本身的缘故，使得投影得到的图像进行编码后得到的实际曲线跟理论上存在差别，这样会造成测量误差，即由于投影仪的非线性响应，使得在计算时会有非线性误差，所以通过修正正弦光图像来解决该误差，在本实施例中，通过6幅均匀光图像的数据来修正3幅正弦光图像，而修正过程是先通过步骤C的辨识强度相应模型的系统参数，利用系统参数得到每个像素的真实投影强度，通过正弦光图像的像素强度映射到真实投影强度，隐性修正正弦光图像，在这个映射的过程中，不仅修正正弦光图像同时还辨识响应了强度相应模型这个系统。
具体包括使用公式二得到真实投影强度；
Figure GDA0002415653400000093
其中：
I′m(x，y)：表示真实投影强度；
Im：表示一组结构光，其中，m＝0，1，2，这里指实施例中的Is0、Is1、Is2；
(x，y)表示像素在图像上的坐标；
Figure GDA0002415653400000091
Im(x，y)的n次幂；
a0(x，y)…an(x，y)表示强度响应模型的系统参数；
T：表示矩阵的转置。
步骤E：根据均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位；
具体包括使用公式三得到子区域相位；
Figure GDA0002415653400000092
其中：
ΦR：该组结构光的子区域相位；
Mod()：求余运算符，即Mod(R+1，2)为R+1以2为底取余数；
Imax、Imed、Imin：分别是该组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值；
R表示该组结构光的子区域数；
αcos表示反余弦函数。
将公式三应用到本实施例中的第一组结构光图像，即只计算第一组的结构光图像的子区域相位，所以在这里，Imax、Imed、Imin分别用IF0、IF1、Is0替代，三组结构光根据表一得到第一组子区域序数R0，第二组子区域序数R1，第三组子区域序数R2，在此处使用第一组结构光的子区域序数R0替代公式三中的R，得到第一组结构光的子区域相位；
步骤F：根据子区域相位和子区域序数得到正弦光图像的包裹相位；
具体包括使用公式四得到包裹相位；
Figure GDA0002415653400000101
其中：
R：表示该组结构光的子区域数；
Φ：表示该组结构光的包裹相位；
ΦR：表示该组结构光的子区域相位。
在本式中，R表示第一组结构光的子区域序数R0，求得第一组结构光的包裹相位。
步骤G：根据包裹相位和子区域序数得到正弦光图像的绝对相位，根据绝对相位得到测量对象的表面点在投影仪像素和相机像素的位置，根据三角测距重建得到测量对象的物体表面模型。
使用公式五得到绝对相位；
Figure GDA0002415653400000111
其中：
Figure GDA0002415653400000112
表示绝对相位；
R0表示第一组结构光的子区域数；
R1表示第二组结构光的子区域数；
R2表示第三组结构光的子区域数；
Mod()：求余运算符；
αcos表示反余弦函数；
I′max、I′med、I′min表示同一组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值经过公式二求取得到真实投影强度后进行求取校正后得到的值的最大值、中值和最小值。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：包括使用复合正弦梯形条纹测量物体的三维信息的过程：
步骤A：在测量对象上投影多组不同强度范围的具有正弦边缘的类梯形条纹图，即结构光，并拍照捕获得到多组条纹图像；
步骤B：对同组的条纹图像的对应像素点按照亮度进行排序，分解出均匀光图像和正弦光图像及其两种图像所对应的像素值，在排序过程中根据像素值得到每组图像的子区域序数；
步骤C：使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像上每个像素点的强度响应模型，得到每个像素点的强度响应模型参数；
步骤D：根据强度响应模型参数得到均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度；
步骤E：根据均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位；
步骤F：根据子区域相位和子区域序数得到正弦光图像的包裹相位；
步骤G：根据包裹相位和子区域序数得到正弦光图像的绝对相位，根据绝对相位得到测量对象的表面点在投影仪像素和相机像素的位置，根据三角测距重建得到测量对象的物体表面模型。
2.根据权利要求1所述一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：
在步骤C中，使用均匀光图像辨识捕获的条纹图像上每个像素点的强度响应模型，得到每个像素点的强度响应模型参数，包括使用公式一进行辨识；
Figure FDA0002544453090000021
其中：
IF0，IF1…IF5：拍摄到的三组条纹的非正弦区间像素灰度值；
iF0，iF1…iF5：输入到投影仪的条纹的正弦区间像素灰度值；
(x，y)均表示像素在图像上的坐标；
n表示强度响应模型的阶数；
a0(x,y)…an(x,y)表示强度响应模型的系统参数。
3.根据权利要求1所述一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：
在步骤D中，根据强度响应模型参数得到均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度；具体包括使用公式二得到真实投影强度；
Figure FDA0002544453090000022
--公式二；
其中：
I′m(x,y)：表示真实投影强度；
Im：表示一组结构光，其中，m＝0,1,2；
(x，y)表示像素在图像上的坐标；
Figure FDA0002544453090000023
Im(x,y)的n次幂；
a0(x,y)…an(x,y)表示强度响应模型的系统参数；
T：表示矩阵的转置。
4.根据权利要求1所述一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：
在步骤E中，根据均匀光图像和正弦光图像的真实投影强度得到正弦光图像的子区域相位，具体包括使用公式三得到子区域相位；
Figure FDA0002544453090000031
其中：
ΦR：第一组结构光的子区域相位；
Mod():求余运算符，即Mod(R+1,2)为R+1以2为底取余数；
Imax、Imed、Imin：分别是第一组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值；
R表示第一组结构光的子区域数；
αcos表示反余弦函数。
5.根据权利要求1所述一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：
在步骤F中，根据子区域相位和子区域序数得到正弦光图像的包裹相位，具体包括使用公式四得到包裹相位；
Figure FDA0002544453090000032
其中：
R：表示第一组结构光的子区域数；
Φ：表示第一组结构光的包裹相位；
ΦR：表示第一组结构光的子区域相位。
6.根据权利要求1所述一种复合正弦梯形条纹结构光三维测量方法，其特征在于：
在步骤G中，根据包裹相位和子区域相位得到正弦光图像的绝对相位，具体包括使用公式五得到绝对相位；
Figure FDA0002544453090000041
其中：
Figure FDA0002544453090000042
表示绝对相位；
R0表示第一组结构光的子区域数；
R1表示第二组结构光的子区域数；
R2表示第三组结构光的子区域数；
Mod():求余运算符；
αcos表示反余弦函数；
I′max、I′med、I′min表示同一组结构光中三张条纹图像素的最大、中值和最小灰度值经过公式二求取得到真实投影强度后进行求取校正后得到的值的最大值、中值和最小值。
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