CN112361993A - 一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，属于三维检测技术领域。该系统主要为通过对三步相移法表面产生的光栅条纹图像进行投影，得到光栅条纹投射到物体上产生变形的光栅条纹信息，用三步相移法和Flood Fill法相结合的方法进行相位解包裹计算，根据相位信息生成三维点云图像，提高了三维重建的速度和精度；另一方面，本发明只需要一台投影设备和照相设备即可完成物体的三维扫描，具有效率高、成本低、操作简单、结构紧凑、可实现各种条件下物体三维重建等优点。

Description

一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，属于三维检测技术领域。
背景技术
近年来，随着科学技术水平的不断提高推动了三维检测技术的快速发展。三维检测技术是指运用三维检测方法和设备，将物体形状转换为离散的三维几何坐标数据的过程。传统方法通常是利用三坐标测量机对物体的三维轮廓进行提取，这种方法虽然测量精度较高，但是这种方法测量周期长、对柔软物体表面测量时会出现损伤以及难以检测具有复杂内部型腔的工件。所以，具有非接触、全场检测、精度高、速度快、低成本和易于实现等优点的结构光投影三维检测技术得到迅速发展。
结构光三维重建系统是一组由投影仪和摄像机组成的系统。通过数字投影仪将编制好的光栅条纹投射到被测物体表面上，经被测物体调制后生成变形条纹，相机采集到到变形条纹并传给计算机，经过解相位得到相位分布，代入到相位信息-几何信息关系式，得到三维几何表面形貌。这种结构光三维重建方法虽然能够较为完整的实现三维物体扫描重建，但是也会受到相位测量方法和相位展开方法的限制，会严重影响实现物体三维重建的速度和精度。
发明内容
本发明的目的正是基于上述考虑，提出了一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，该三维重建方法和系统具有速度快、精度高、可调节的特点。
为实现上述目的，本发明设计了一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，该系统包括光栅条纹投影、三步相移法得到包裹相位信息、Flood Fill法进行相位展开、实现物体的三维重建。
所述的光栅条纹投影是对通过三步相移法编码生成的三幅光栅条纹图像用投影设备(2)进行投影，三幅光栅条纹图像相移分别为-2π/3，0，2π/3。
所述的三步相移法得到相位信息是相机(3)拍摄获得三幅光栅条纹图像投影到被测物体(1)上的变形条纹图像通过三步相移法计算得到被测物体(1)的包裹相位。
所述的Flood Fill法进行相位展开是对通过三步相移法计算得到的包裹相位信息进行加减2nπ的运算进行相位展开，得到真实相位信息。
所述的实现被测物体(1)的三维重建是对真实相位信息以及预设的投影设备(2)、相机(3)以及被测物体(1)之间的距离信息计算得到被测物体(1)的三维坐标，实现被测物体(1)的三维重建。
上述所述一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，包括以下步骤：
(1)通过三步相移法编码生成的三幅光栅条纹图像相移分别为-2π/3，0，2π/3，并将其通过投影设备投射到物体上，生成三幅光栅条纹图像的表达式如下：
Figure BDA0002822873810000021
Figure BDA0002822873810000022
Figure BDA0002822873810000023
其中x，y为像素坐标，I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)分别为对应的三幅光栅条纹图像亮度，a为生成光栅的平均光强系数，b为生成光栅的光强幅值调制系数，
Figure BDA0002822873810000031
为点(x,y)的编码的绝对相位信息。
(2)通过相机捕获到三幅投射到物体上产生变形的条纹图像，捕获的三幅图像的光强表示为：
Figure BDA0002822873810000032
Figure BDA0002822873810000033
Figure BDA0002822873810000034
其中，I11、I21、I31为捕获的三幅光栅变形条纹图像的光强，a1为捕获光栅的平均光强系数，b1为捕获光栅的光强幅值调制系数。
(3)通过捕获的三幅变形条纹信息计算出物体的包裹相位
Figure BDA0002822873810000035
Figure BDA0002822873810000036
Figure BDA0002822873810000037
为对应某一点(x,y)的包裹相位，
Figure BDA0002822873810000038
为相邻另一点(x,y)的包裹相位；
(4)通过用Flood Fill法对三步相移法计算出来的包裹相位进行相位展开运算得到物体的真实相位信息：
Figure BDA0002822873810000039
其中
Figure BDA00028228738100000310
为某一点(x,y)展开相位即某一点(x,y)真实相位信息，
Figure BDA00028228738100000311
Figure BDA00028228738100000312
为相邻另一点(x,y)展开相位即相邻另一点(x,y)真实相位信息，
Figure BDA00028228738100000313
Figure BDA00028228738100000314
(5)通过物体的真实相位信息
Figure BDA00028228738100000315
以及预设的投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系计算得到物体的三维坐标，实现物体的三维重建，投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系为：
Figure BDA00028228738100000316
其中h为被测物体表面某一点(x,y)的距离测试水平底面的高度，L为相机距离测试水平底面的高度；d为相机和投影设备之间的水平距离(两者连线平行底面)，A为投影设备与被测物体表面某一点(x,y)的连线与底面的交点，C为相机与被测物体表面某一点(x,y)的连线与底面的交点，AC为A与C之间的距离。
本发明具有如下有益效果：
1.使用基于光栅条纹的三步相移法使得投影图像数量减少，计算速度得到有效提高。
2.使用三步相移法得到包裹相位信息和Flood Fill法进行包裹相位展开两种方法相结合，物体三维重建精度、运算速度得到有效提高。
3.本发明方法只需使用一台计算机、一台投影设备和一台相机即可实现三维重建功能，速度快，精度高，效率高，成本低，操作简单，结构紧凑，可实现各种条件下物体三维重建。
附图说明
图1是本发明三维重建系统的结构图；
被测物体1，投影设备2，相机3，计算机4。
图2是本发明三维重建方法的流程图；
图3是本发明三幅光栅条纹图像；
图4是本发明被测物体、投影设备和相机之间的几何关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。本发明系统包括被测物体、投影设备、相机和计算机，计算机分别与投影设备和相机相连接，计算机能够控制投影设备向被测物体投射包含相位信息的三步相移编码的光栅条纹图像，相机能够同步采集投影设备投射到物体上的变形条纹图像传送至计算机上进行物体的三维重建。以下实施例选用的投影设备为DLP LightCrafter 4500，相机为FLIR Camera,本发明也可以采用其他的投影设备和相机。
实施例：一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统的操作过程；
通过对三步相移法编码生成光栅条纹图像用投影设备(2)进行投影，相机(3)捕获到三幅光栅条纹投射到被测物体(1)上产生的变形条纹图像，获得在被测物体(1)的影响下产生形变的条纹信息，用三步相移法和Flood Fill法相结合进行相位解包裹运算，得出被测物体(1)三维相位信息实现被测物体(1)的三维重建；所述的三步相移法用来计算出被测物体(1)的包裹相位信息；所述的Flood Fill法用来进行相位展开运算。
根据权利要求1所述的一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法及系统，其特征在于：三步相移法需要对三幅投影到被测物体(1)上的变形光栅条纹图像信息进行计算，从而得到被测物体(1)的包裹相位信息，光栅条纹图像为若干行灰度强度按照正弦(余弦)函数的周期性光栅条纹，三幅光栅条纹图像每次投射光栅相移120°，相移分别为-2π/3，0，2π/3，
包括以下步骤：
(1)调试好被测物体、投影设备和相机之间的距离；
(2)投影设备将计算机生成的三幅光栅条纹图像投射到被测物体上；
(3)相机同步捕获到投射到被测物体上的三幅变形条纹图像，并发送至计算机；
(4)将变形的三幅条纹图像通过三步相移法计算得出被测物体的包裹相位信息
Figure BDA0002822873810000051
Figure BDA0002822873810000061
Figure BDA0002822873810000062
Figure BDA0002822873810000063
Figure BDA0002822873810000064
(5)用Flood Fill法对求得的包裹相位信息进行相位展开运算得到物体的真实相位信息
Figure BDA0002822873810000065
Figure BDA0002822873810000066
(6)根据物体的真实相位信息以及预设的投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系计算得到物体的三维坐标信息，投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系为：
Figure BDA0002822873810000067
(7)通过物体的三维坐标信息实现被测物体的三维重建。

Claims (2)

1.一种基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建系统，其特征在于，包括光栅条纹投影、相机、三步相移法得到包裹相位信息、Flood Fill法进行相位展开、实现物体的三维重建；
所述的光栅条纹投影是对通过三步相移法编码生成的三幅光栅条纹图像用投影设备进行投影，三幅光栅条纹图像相移分别为-2π/3，0，2π/3；
所述的三步相移法得到相位信息是相机拍摄获得三幅光栅条纹图像投影到被测物体(1)上的变形条纹图像通过三步相移法计算得到被测物体(1)的包裹相位；
所述的Flood Fill法进行相位展开是对通过三步相移法计算得到的包裹相位信息进行加减2nπ的运算进行相位展开，得到真实相位信息；
所述的实现被测物体(1)的三维重建是对真实相位信息以及预设的投影设备(2)、相机(3)以及被测物体(1)之间的距离信息计算得到被测物体(1)的三维坐标，实现被测物体(1)的三维重建。
2.采用权利要求1所述的系统进行基于三步相移法和Flood Fill法的三维重建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)通过三步相移法编码生成的三幅光栅条纹图像相移分别为-2π/3，0，2π/3，并将其通过投影设备投射到物体上，生成三幅光栅条纹图像的表达式如下：
Figure FDA0002822873800000011
Figure FDA0002822873800000012
Figure FDA0002822873800000013
其中x，y为像素坐标，I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)分别为对应的三幅光栅条纹图像亮度，a为生成光栅的平均光强系数，b为生成光栅的光强幅值调制系数，
Figure FDA00028228738000000214
为点(x,y)的编码的绝对相位信息。
(2)通过相机捕获到三幅投射到物体上产生变形的条纹图像，捕获的三幅图像的光强表示为：
Figure FDA0002822873800000021
Figure FDA0002822873800000022
Figure FDA0002822873800000023
其中，I11、I21、I31为捕获的三幅光栅变形条纹图像的光强，a1为捕获光栅的平均光强系数，b1为捕获光栅的光强幅值调制系数。
(3)通过捕获的三幅变形条纹信息计算出物体的包裹相位
Figure FDA0002822873800000024
Figure FDA0002822873800000025
Figure FDA0002822873800000026
为对应某一点(x,y)的包裹相位，
Figure FDA0002822873800000027
为相邻另一点(x,y)的包裹相位；
(4)通过用Flood Fill法对三步相移法计算出来的包裹相位进行相位展开运算得到物体的真实相位信息：
Figure FDA0002822873800000028
其中
Figure FDA0002822873800000029
为某一点(x,y)展开相位即某一点(x,y)真实相位信息，
Figure FDA00028228738000000210
为相邻另一点(x,y)展开相位即相邻另一点(x,y)真实相位信息，
Figure FDA00028228738000000211
(5)通过物体的真实相位信息
Figure FDA00028228738000000212
以及预设的投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系计算得到物体的三维坐标，实现物体的三维重建，投影设备、相机以及被测物体之间的几何关系为：
Figure FDA00028228738000000213
其中h为被测物体表面某一点(x,y)的距离测试水平底面的高度，L为相机距离测试水平底面的高度；d为相机和投影设备之间的水平距离(两者连线平行底面)，A为投影设备与被测物体表面某一点(x,y)的连线与底面的交点，C为相机与被测物体表面某一点(x,y)的连线与底面的交点，AC为A与C之间的距离。
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