CN112097685A

CN112097685A - 一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法

Info

Publication number: CN112097685A
Application number: CN202010737413.3A
Authority: CN
Inventors: 王玉伟; 刘路; 唐七星; 奚冬冬; 陈向成
Original assignee: Anhui Agricultural University AHAU
Current assignee: Anhui Agricultural University AHAU
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN112097685B

Abstract

本发明公开了一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，包括：步骤S1：搭建条纹投影三维测量系统；步骤S2：投影仪将彩色条纹投射到运动物体表面，经过运动物体表面的调制作用，产生变形的彩色条纹；步骤S3：摄像机同步采集所有变形的彩色条纹，提取出红色通道中的正弦条纹和蓝色通道中的余弦条纹；步骤S4：利用三步相移算法，分别计算出正弦条纹的截断相位和余弦条纹的截断相位；步骤S5：分别对正弦条纹截断相位和余弦条纹截断相位进行相位展开，得到正弦条纹绝对相位和余弦条纹绝对相位；步骤S6：计算正弦条纹绝对相位和余弦条纹绝对相位的平均相位，消除物体运动引起相位误差；步骤S7：将平均相位转换为高度信息，重建出运动物体三维形貌。

Description

一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法。

背景技术

条纹投影三维测量技术具有非接触、精度高、速度快、结构简单等优点，广泛应用于工业检测、生物医学、农业工程、产品逆向开发等领域。传统的条纹投影系统主要包括投影仪和摄像机两部分，投影仪负责投射条纹至物体表面，摄像机负责采集物体调制后的条纹。通过提取调制条纹的相位分布，便可重建出物体的三维形貌。

目前，相移法和傅里叶法是两种常用的相位提取方法，相对于傅里叶法，相移法的鲁棒性更高，更适合测量复杂形貌的物体。一般情况下，相移法需要投射至少三幅条纹，物体运动会改变条纹间的相移量，导致相位计算错误，进而引起三维测量误差。针对物体运动引起的三维测量误差，国内外学者提出了一些三维测量误差补偿方法，均取得了不错的效果。

例如：通过特征点匹配来估计物体运动信息，补偿运动引起的测量误差，但此类方法要求物体具有明显特征,且为刚性物体(Optics Express,2013,21(25): 30610-22；Optics Communications,2019,438:61-6)；利用额外的条纹来补偿误差，这样会减缓物体的三维测量速度(Optics Express,2019,27(16): 22100-15；Optics Express,2019,27(17):23948-58)；结合傅里叶等频域法来补偿误差，但频域法一般要求物体表面较为平滑(Optics Express,2016, 24(20):23289-303)。综上所述，如何准确且快速地测量出运动物体的三维形貌，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：搭建条纹投影三维测量系统，包括投影仪和摄像机，所述投影仪和摄像机同步触发开启工作；

步骤S2：投影仪依次将三幅彩色条纹投射至运动物体表面，所述彩色条纹经过运动物体表面形貌的调制，产生变形的彩色条纹；

步骤S3：摄像机同步采集所有变形的彩色条纹，直接分离所有变形的彩色条纹的不同颜色通道，提取出红色通道中的正弦条纹和蓝色通道中的余弦条纹。

步骤S4：利用三步相移算法，分别计算出所述正弦条纹的截断相位和余弦条纹的截断相位；

步骤S5：分别对所述正弦条纹的截断相位和余弦条纹的截断相位进行相位展开，得到正弦条纹的绝对相位和余弦条纹的绝对相位。

步骤S6：计算所述正弦条纹的绝对相位和余弦条纹的绝对相位的平均相位，消除物体运动引起的相位误差；

步骤S7：通过系统标定过程得到平均相位-高度转换关系，将所述的平均相位转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。

优选的，所述步骤S2中，投影仪投射的所有的彩色条纹，其红色通道用于编码正弦条纹，其蓝色通道用于编码余弦条纹，其绿色通道置零，不编码任何信息。

优选的，所述正弦条纹和余弦条纹具有相同的相位Φ^o(x,y)。

优选的，所述步骤S3中，摄像机采集的所有变形的彩色条纹，其强度分布可分别表示为：

其中：(x,y)表示摄像机的像素坐标；

表示三幅变形的彩色条纹的红色通道中正弦条纹；

表示三幅变形的彩色条纹的蓝色通道中余弦条纹；A^r(x,y)、B^r(x,y)、φ^r(x,y)分别表示红色通道的背景光强、调制光强、截断相位；A^b(x,y)、B^b(x,y)、φ^b(x,y) 分别表示蓝色通道的背景光强、调制光强、截断相位。

优选的，所述步骤S4中，利用三步相移算法，分别求解正弦条纹的截断相位φ^r(x,y)和余弦条纹的截断相位φ^b(x,y)的计算公式如下：

优选的，所述步骤S5中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的计算公式如下：

Φ^r(x,y)＝φ^r(x,y)+2πk(x,y)

Φ^b(x,y)＝φ^b(x,y)+2πk(x,y)

其中：k(x,y)表示条纹级次，其通过相位展开方法确定。

优选的，所述步骤S6中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的平均相位Φ(x,y)的计算公式为：

Φ(x,y)＝[Φ^r(x,y)+Φ^b(x,y)]/2。

采用以上技术方案的有益效果是：

1、本发明提供的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，只需要三幅彩色条纹来测量运动物体的三维形貌，测量速度更快，有利于实时在线测量。

2、只使用彩色条纹的蓝色通道来编码正弦条纹，只使用彩色条纹的红色通道来编码余弦条纹，可有效地避免通道间的颜色串扰问题。

3、根据正弦条纹和余弦条纹的相位误差分布的幅值近似、符号相反的特性，通过计算两组条纹的平均相位，便可补偿运动物体的相位误差，提高三维测量的精度。

附图说明

图1是彩色条纹示意图；

图2是彩色条纹的红色通道中正弦条纹示意图；

图3是彩色条纹的蓝色通道中余弦条纹示意图；

图4是正弦条纹的截断相位和绝对相位示意图；

图5是匀速运动下绝对相位及其误差示意图；

图6是非匀速运动下绝对相位及其误差示意图；

图7是本发明的总体流程图；

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图7所示，本发明是一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S3：摄像机同步采集所有变形的彩色条纹I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)，如图1所示，直接分离所有变形的彩色条纹的不同颜色通道，如图2、图3所示，提取出红色通道中的正弦条纹

和蓝色通道中的余弦条纹

步骤S4：利用三步相移算法，分别计算出所述正弦条纹的截断相位φ^r(x,y) 和余弦条纹的截断相位φ^b(x,y)；

步骤S5：分别对所述正弦条纹的截断相位φ^r(x,y)和余弦条纹的截断相位φ^b(x,y)进行相位展开，得到正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)。以红色通道中正弦条纹为例，如图4所示，给出了其截断相位φ^r(x,y)和绝对相位Φ^r(x,y)示意图。

步骤S6：计算所述正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的平均相位Φ(x,y)，消除物体运动引起的相位误差；

步骤S7：通过系统标定过程得到平均相位-高度转换关系，将所述的平均相位Φ(x,y)转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。

所述步骤S2中，投影仪投射的所有的彩色条纹，其红色通道用于编码正弦条纹，其蓝色通道用于编码余弦条纹，其绿色通道置零，不编码任何信息。

所述正弦条纹和余弦条纹具有相同的相位Φ^o(x,y)。

所述步骤S3中，摄像机采集的所有变形的彩色条纹I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)，其强度分布可分别表示为：

其中：(x,y)表示摄像机的像素坐标；

表示三幅变形的彩色条纹的红色通道中正弦条纹；

所述步骤S4中，利用三步相移算法，分别求解正弦条纹的截断相位φ^r(x,y) 和余弦条纹的截断相位φ^b(x,y)的计算公式如下：

所述步骤S5中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的计算公式如下：

Φ^r(x,y)＝φ^r(x,y)+2πk(x,y)

Φ^b(x,y)＝φ^b(x,y)+2πk(x,y)

其中：k(x,y)表示条纹级次，其通过相位展开方法确定。相位展开属于现有技术，此处不再赘述。

所述步骤S6中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的平均相位Φ(x,y)的计算公式为：

Φ(x,y)＝[Φ^r(x,y)+Φ^b(x,y)]/2。

以下用具体实施例对具体工作方式进行阐述：

实施例1：

假设被测物体处于匀速运动状态，因运动引入的额外相移量用ε(x,y)表示，则红色通道中正弦条纹和蓝色通道中余弦条纹的强度分布表示为：

根据文献Optics Express,2018,26(26):34224-35，可以推导出最终计算得到的正弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^b(x,y)可分别近似等于：

理论上，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)是相等的，即存在如下关系：

Φ^r(x,y)＝Φ^b(x,y)＝Φ^o(x,y)

明显地，正弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^b(x,y)具有相同的幅值，但是符号相反。因此，平均相位误差ΔΦ(x,y)近似等于：

ΔΦ(x,y)＝[ΔΦ^r(x,y)+ΔΦ^b(x,y)]/2≈0

如图5所示，给出了匀速运动且ε(x,y)＝0.3下正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)、余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)、平均相位Φ(x,y)示意图，以及它们的误差ΔΦ^r(x,y)、ΔΦ^b(x,y)、ΔΦ(x,y)示意图。可以看出，平均相位误差ΔΦ(x,y)远小于正弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^b(x,y)。

实施例2：

假设被测物体处于非匀速运动状态，因运动引入的额外相移量用ε(x,y)表示，则红色通道中正弦条纹和蓝色通道中余弦条纹的强度分布可重新表示为：

如图6所示，给出了非匀速运动且ε(x,y)＝0.3下正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)、余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)、平均相位Φ(x,y)示意图，以及它们的误差ΔΦ^r(x,y)、ΔΦ^b(x,y)、ΔΦ(x,y)示意图。同样可以看出，平均相位误差ΔΦ(x,y)远小于正弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位误差ΔΦ^b(x,y)。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S3：摄像机同步采集所有变形的彩色条纹，直接分离所有变形的彩色条纹的不同颜色通道，提取出红色通道中的正弦条纹和蓝色通道中的余弦条纹；

步骤S5：分别对所述正弦条纹的截断相位和余弦条纹的截断相位进行相位展开，得到正弦条纹的绝对相位和余弦条纹的绝对相位；

2.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，投影仪投射的所有的彩色条纹，其红色通道用于编码正弦条纹，其蓝色通道用于编码余弦条纹，其绿色通道置零，不编码任何信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述正弦条纹和余弦条纹具有相同的相位Φ^o(x,y)。

4.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，摄像机采集的所有变形的彩色条纹，其强度分布可分别表示为：

其中：(x,y)表示摄像机的像素坐标；

表示三幅变形的彩色条纹的红色通道中正弦条纹；

表示三幅变形的彩色条纹的蓝色通道中余弦条纹；A^r(x,y)、B^r(x,y)、φ^r(x,y)分别表示红色通道的背景光强、调制光强、截断相位；A^b(x,y)、B^b(x,y)、φ^b(x,y)分别表示蓝色通道的背景光强、调制光强、截断相位。

5.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S4中，利用三步相移算法，分别求解正弦条纹的截断相位φ^r(x,y)和余弦条纹的截断相位φ^b(x,y)的计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S5中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的计算公式如下：

Φ^r(x,y)＝φ^r(x,y)+2πk(x,y)

Φ^b(x,y)＝φ^b(x,y)+2πk(x,y)

其中：k(x,y)表示条纹级次，其通过相位展开方法确定。

7.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S6中，正弦条纹的绝对相位Φ^r(x,y)和余弦条纹的绝对相位Φ^b(x,y)的平均相位Φ(x,y)的计算公式为：

Φ(x,y)＝[Φ^r(x,y)+Φ^b(x,y)]/2。