CN111102939A - 双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统包括左投影仪、右投影仪和相机；分离方法包括以下步骤：步骤1，基于四步相移法求解主相位，对左、右投影光栅进行设计；步骤2，基于所设计的左、右投影光栅，获取叠加相移光栅；步骤3，采用叠加相移光栅分离方法对采集到的叠加相移光栅进行分离，并分别求解得到分离后左、右光栅投影的主相位，用于实现被测物体的三维测量。本发明可实现快速、准确、高精度的叠加相移光栅分离和主相位求解。

Description

双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法

技术领域

本发明涉及结构光视觉三维测量，特别涉及一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法。

背景技术

技术广泛应用于双投影结构光视觉三维测量中，光学三维测量具有非接触性、无损伤、快速测量、高精度、自动化程度高等一系列优点，已经成为近年来在三维数据获取方面发展最为迅速、应用最为广泛、最具发展潜力的方法之一，是现代科学研究及工程应用的关键技术。存在的问题描述如下：单投影单相机结构中，由于被测物体表面轮廓复杂及投影仪视角局限造成的阴影现象普遍存在，使得被测物体的三维测量结果不完整。为了解决以上问题，提出了双投影结构光视觉测量系统。此系统面临的关键技术难题是，左右投影仪同时投影时，如何简单、快速、有效地对叠加相移光栅进行分离，从而求解出两侧投影仪投影光栅的相位信息。目前为了解决阴影问题，测量完整的被测物体的三维形貌，广泛采用额外的硬件装置，如旋转装置，对被测物体进行旋转。但是这种通过额外的机械装置旋转来多角度测量被测物体以解决遮挡问题的方法，结构复杂，硬件成本较高，且测量时间较长，不能满足快速、低价、精密测量的需求。针对双投影结构光视觉三维测量系统来讲，Changsoo Je等人提出了一种在右投影垂直的方向上求解左投影偏导的方法，采用了彩色条纹置换模式，通过分析从颜色分布上消除干扰，实现信号的分离，但该方法对光照要求较高。岩曾强等人通过设计一种不会相互干扰的多层信号，实现信号分离，然而该方法依赖于编码信号设计，编解码方法比较复杂。行业上需要一种低成本、算法简单、结构简单、且能快速有效分离叠加相移光栅的分离技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种低成本、算法简单、结构简单、且能快速有效分离叠加相移光栅的分离方法。

本发明所采用的技术方案是：一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统包括左投影仪、右投影仪和相机；分离方法包括以下步骤：

步骤1，基于四步相移法求解主相位，对左、右投影光栅进行设计；

步骤2，基于所设计的左、右投影光栅，获取叠加相移光栅；

步骤3，采用叠加相移光栅分离方法对采集到的叠加相移光栅进行分离，并分别求解得到分离后左、右光栅投影的主相位，用于实现被测物体的三维测量。

步骤1中，对左投影光栅的设计包括：首先，对左投影仪需要投影的相移光栅进行编码：令左投影仪需要投影的四副原始相移光栅分别为L₁、L₂、L₃和L₄，L₁、L₂、L₃、L₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅；其次，左投影仪按照L₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₄的序列进行投影；

对右投影光栅的设计包括：首先，对右投影仪需要投影的相移光栅进行编码：令右投影仪需要投影的四副原始相移光栅分别为R₁、R₂、R₃和R₄，R₁、R₂、R₃、R₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅；其次，右投影仪按照R₁、R₃、R₂、R₁、R₂、R₄的序列进行投影；

其中，L₁与R₁的相位值相等，L₂与R₂的相位值相等，L₃与R₃的相位值相等，L₄与R₄的相位值相等。

步骤2进一步包括：

按照步骤1中对左、右投影光栅的设计，左投影仪和右投影仪同时对被测物体进行投影，在被测物体上形成叠加相移光栅；

通过相机对叠加相移光栅进行采集，得到叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆，即：

步骤3中，分离后左、右光栅投影的主相位为：

式中，θ₁为左投影相位主值，θ₂为右投影相位主值。

本发明的有益效果是：

1.成功分离了叠加相移光栅，改变了原有的双投影仪串行投影的投影方式。进一步说明即是，在传统的双投影结构光三维测量装置中，由于一直没有一种简单有效的叠加相移光栅的分离方法，使得两个投影仪无法同时工作。本发明提出的分离方法可以成功地对叠加相移光栅进行分离，使得两个投影时可以同时投影。

2.较现在存在的叠加相移光栅分离算法而言，本分离方法使用的投影为最原始的正弦光栅，编码简单，分离算法简单，且无需额外的硬件结构。操作简单，成本低廉，算法运行较快。

3.本发明中，光栅分离的主要计算过程对背景光、光栅条纹的对比度进行了加减和求平均，减少了噪声和其他随机误差的干扰。

4.相比于多投影仪测量系统而言，提高了测量速度。基于四步相移原理，较传统的左右两侧分别单独投影所需的8副光栅图来讲，本发明提出的光栅分离方法，只需要并行投影6副图，所以本发明减少了投影2副相移光栅，节约了25％的工作量和时间。

附图说明

图1：本发明所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统示意图；

图2：本发明所设计的叠加相移光栅分离方法流程图；

图3：本发明双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法流程图；

图4a：实施例1中的左投影原始光栅L₁示意图；

图4b：实施例1中的左投影原始光栅L₂示意图；

图4c：实施例1中的左投影原始光栅L₃示意图；

图4d：实施例1中的左投影原始光栅L₄示意图；

图5a：实施例1中的右投影原始光栅R₁示意图；

图5b：实施例1中的右投影原始光栅R₂示意图；

图5c：实施例1中的右投影原始光栅R₃示意图；

图5d：实施例1中的右投影原始光栅R₄示意图；

图6a：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₁示意图；

图6b：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₂示意图；

图6c：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₃示意图；

图6d：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₄示意图；

图6e：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₅示意图；

图6f：实施例1中采集到的叠加相移光栅H₆示意图；

图7a：实施例1中叠加相移光栅分离的右投影主相位示意图；

图7b：实施例1中叠加相移光栅分离的左投影主相位示意图；

附图标注：1、左投影仪；2、右投影仪；3、相机；4、被测物体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明公开了一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，旨在提供一种在双投影结构光视觉三维测量系统中，当两侧投影仪同时投影时，能够快速、准确、高精度分离叠加相移光栅的方法。它包括左投影光栅设计，右投影光栅设计，叠加相移光栅的获取，叠加相移光栅的分离四个步骤。左投影的投影时序是L₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₄，右投影的投影时序是R₁、R₃、R₂、R₁、R₂、R₄，对叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆进行采集，利用叠加相移光栅分离方法对叠加相移光栅进行分离，从叠加相移光栅中求解出单侧投影仪的主相位。可实现快速、准确、高精度的叠加相移光栅分离和主相位求解，完成叠加相移光栅分离，从叠加相移光栅中获取有效的相位信息。只有获取左、右投影仪有效的相位信息，才能进一步的利用相位-高度转换模型，完成三维测量。

如图1所示，本发明所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统，包括左投影仪1、右投影仪2和相机3。所述左投影仪1、右投影仪2和相机3的型号不限。

如图2所示，本发明设计了叠加相移光栅分离方法对采集到的叠加相移光栅进行分离，其步骤如下：

(1)载入叠加相移光栅。在双投影结构光视觉三维测量系统中，参照本发明设计的投影光栅的排列和编码方法，左投影仪1和右投影仪2同时对被测物体4进行投影。通过相机3对叠加相移光栅进行采集，得到叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆，即

将叠加相移光栅以图片的形式保存在计算机中，图片的格式不限，例如bmp格式，jpg格式等。

(2)利用编程软件读取六幅叠加相移光栅。

(3)对六幅叠加相移光栅图像矩阵进行滤波去噪。

(4)采用叠加相移光栅分离算法，即反正切函数对叠加相移光栅进行分离，并分别求解分离后左、右两侧光栅投影的主相位。公式如下所示：

式中，θ₁为左投影相位主值，θ₂为右投影相位主值。

(5)对求取的左投影相位主值图和右投影相位主值图进行保存。或者直接进行下一步处理用于三维测量。

如图3所示，一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，基于如图1所搭建的双投影结构光视觉三维测量系统包括，包括以下步骤：

步骤1，左、右投影光栅设计。由于本发明分离方法选用四步相移法求解主相位，因此，左、右投影光栅设计如下：

①左投影光栅设计

在双投影结构光视觉三维测量系统中，首先，对左投影仪1所需投影的四步相移光栅进行编码，编码软件不限。其中，令左投影仪1需要投影的四副原始相移光栅分别为L₁、L₂、L₃和L₄，L₁、L₂、L₃、L₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅，光栅条纹周期不限，条纹的横竖方向不限。

其次，左投影仪1按照一定序列进行投影。左投影仪1和右投影仪2同时投影时，左投影仪1投影光栅图案的排列方式为：L₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₄。

②右投影光栅设计

在双投影结构光视觉三维测量系统中，首先，对右投影仪2需要投影的四步相移光栅进行编码，编码软件不限。其中，令右投影仪2需要投影的四副原始相移光栅分别为R₁、R₂、R₃和R₄，R₁、R₂、R₃、R₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅，光栅条纹周期不限，条纹的横竖方向不限。

其次，右投影仪2按照一定序列进行投影。左投影仪1和右投影仪2同时投影时，右投影仪2投影光栅图案的排列方式为：R₁、R₃、R₂、R₁、R₂、R₄。

其中，L₁、L₂、L₃、L₄与R₁、R₂、R₃、R₄的相位值对应相等。

步骤2，叠加相移光栅的获取。

步骤2-1，将左投影仪1和右投影仪2需要投影的相移光栅分别下载进左投影仪1和右投影仪2中，控制投影仪采用的软件不限。

步骤2-2，打开左投影仪1、右投影仪2和相机3，对左投影仪1、右投影仪2和相机3的相关参数进行调整，例如焦距、曝光等，调节相机3的软件不限。

步骤2-3，基于左投影仪1和右投影仪2中已经下载好的左、右投影相移光栅，利用计算机控制左投影仪1和右投影仪2的投影时序，同时对被测物体4进行光栅投影，在被测物体4上形成叠加相移光栅。其中，左投影时序是L₁,L₁,L₂,L₃,L₄和L₄，右投影时序是R₁,R₃,R₂,R₁,R₂和R₄。

步骤2-4，通过相机3对六幅叠加相移光栅进行采集，如图6a至6f所示，得到叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆，即：

步骤3，叠加相移光栅的分离。

采用本发明设计的叠加相移光栅分离方法，即反正切函数，对采集到的六幅叠加相移光栅进行处理和分离，并分别求解得到分离后左、右光栅投影的主相位，分离结果如图7a和7b所示。叠加相移光栅分离方法基于四步相移求解主相位公式为：

式(2)为本发明叠加相移光栅分离方法的核心，式中，θ₁为左投影相位主值，θ₂为右投影相位主值。

图7表明，利用本发明提出的分离算法，可以随叠加相移光栅进行有效的分离，且较传统的双投影测量系统来讲，解左、右投影仪相移光栅主相位的时间，由串行八幅图，到并行六幅图。测量效率提升了25％。

通过本发明一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，成功获得了被测物体4左右投影单独的主相位信息，完成了光栅分离。获得了被测物体4的主相位信息，基于结构光视觉的被测物体4的三维测量才可以得以实现。

实施例1

如图1所示，为实施本发明所搭建的双投影仪结构光视觉三维测量系统，左投影仪1和右投影仪2的型号均为DLP Light Crafter 4500，投影分辨率是1140*912。相机3采用的型号是Point Grey GS3-U3-41C6M-C CMOS，图像分辨率是2048*2048。被测物体4是阿格里巴石膏像。实验进行过程中的步骤描述如下，

步骤1，对左右投影仪2所需投影的四步相移光栅进行编码，编码软件采用的是matlab。本实施例中，为了更好的显示分离结果，选择左投影仪1投影竖向相移光栅，L₁,L₂,L₃和L₄的相位分别是-π、

0和

光栅条纹周期是T＝114piex，图4a至图4d是本实验左投影仪1需要投影的四副原始相移光栅图样；选择右投影仪2投影横向相移光栅，R₁,R₂,R₃和R₄的相位分别是-π、

0和

光栅条纹周期是T＝142piex，图5a至图5d是本实验右投影仪2需要投影的四副原始相移光栅图样。

步骤2，将左投影仪1和右投影仪2需要投影的相移光栅分别下载进左投影仪1和右投影仪2中，控制投影仪采用的软件是LightCrafter4500。

步骤3，打开左投影仪1、右投影仪2和相机3，对左投影仪1、右投影仪2和相机3的相关参数进行调整，例如焦距、曝光等，调节相机3的软件是Point Grey FlyCap2。

步骤4，利用计算机控制左投影仪1和右投影仪2的投影时序，同时对被测物体4进行光栅投影。其中左投影时序是L₁,L₁,L₂,L₃,L₄和L₄，右投影时序是R₁,R₃,R₂,R₁,R₂和R₄。

步骤5，相机3采集六幅叠加相移光栅，如图6a至图6f所示，其中得到叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆，即

步骤6，利用叠加相移光栅分离方法，对六幅叠加相移光栅进行处理和分离，并求解左、右投影仪投影相移光栅的主相位，分离结果如图7所示。

其中叠加相移光栅分离方法的核心是：

式中，θ₁为左投影相位主值，θ₂为右投影相位主值。

图7表明，利用本发明提出的分离算法，可以随叠加相移光栅进行有效的分离，且较传统的双投影测量系统来讲，解左、右投影仪相移光栅主相位的时间，由串行8副图，到并行六幅图。测量效率提升了25％。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统包括左投影仪(1)、右投影仪(2)和相机(3)；其特征在于，分离方法包括以下步骤：

步骤1，基于四步相移法求解主相位，对左、右投影光栅进行设计；

步骤2，基于所设计的左、右投影光栅，获取叠加相移光栅；

步骤3，采用叠加相移光栅分离方法对采集到的叠加相移光栅进行分离，并分别求解得到分离后左、右光栅投影的主相位，用于实现被测物体(4)的三维测量。

2.根据权利要求1所述的一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，其特征在于，步骤1中，对左投影光栅的设计包括：首先，对左投影仪(1)需要投影的相移光栅进行编码：令左投影仪(1)需要投影的四副原始相移光栅分别为L₁、L₂、L₃和L₄，L₁、L₂、L₃、L₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅；其次，左投影仪(1)按照L₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₄的序列进行投影；

对右投影光栅的设计包括：首先，对右投影仪(2)需要投影的相移光栅进行编码：令右投影仪(2)需要投影的四副原始相移光栅分别为R₁、R₂、R₃和R₄，R₁、R₂、R₃、R₄为四个投影光栅相位依次相差

的正弦光栅；其次，右投影仪(2)按照R₁、R₃、R₂、R₁、R₂、R₄的序列进行投影；

其中，L₁与R₁的相位值相等，L₂与R₂的相位值相等，L₃与R₃的相位值相等，L₄与R₄的相位值相等。

3.根据权利要求1所述的一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，其特征在于，步骤2进一步包括：

按照步骤1中对左、右投影光栅的设计，左投影仪(1)和右投影仪(2)同时对被测物体(4)进行投影，在被测物体(4)上形成叠加相移光栅；

通过相机(3)对叠加相移光栅进行采集，得到叠加相移光栅H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆，即：

4.根据权利要求1所述的一种双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法，其特征在于，步骤3中，分离后左、右光栅投影的主相位为：

式中，θ₁为左投影相位主值，θ₂为右投影相位主值。

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