CN112461158A - 散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置 - Google Patents

散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于三维测量领域，为在无须相位解包裹的基础上，通过直接在相位域上精确立体匹配，高频率的实现对动态被测物的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量，本发明散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置，利用投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机实现，两部摄像机组成立体视目对，散斑菲林片高速转动，可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，生成被测物的三维点云数据，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。本发明主要应用于三维测量场合。

Description

散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置
技术领域
本发明属于三维测量领域，具体涉及散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置。
背景技术
为高频率地动态测量弱纹理或无纹理表面的三维形貌，一般采用主动结构光测量方法。目前主要有正弦条纹法[1]、二维随机纹理法[2]、或此二者相结合[3]等方法。
其中，正弦条纹法的精度较高，但是需要使用DMD(数字微镜器件)等投影器件投射多幅不同相位或频率的正弦条纹结构光至被测物表面，因此其测量速率往往受限于DMD的投影帧率，很难达到每秒钟上千帧的测量频率。二维随机纹理方法，虽然可以仅使用一幅二维随机纹理进行立体视觉测量，但是在立体匹配过程中，很难达到左右视图中的单像素匹配，因而三维测量的精度受限。此外，若左右视目存在对焦不一致的情况下，立体视觉的匹配很可能失败。还有一些技术，将二维纹理信息和条纹叠加并投射到被测物上，并分别在空间域和相位域上分别匹配。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在无须相位解包裹的基础上，通过直接在相位域上精确立体匹配，高频率的实现对动态被测物的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。为此，本发明采用的技术方案是，散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法，利用投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机实现，步骤如下：
两部摄像机组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
散斑菲林片的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
散斑菲林片高速转动，其转动的角速度为
Figure BDA0002737901630000011
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数，π是圆周率；
由于散斑菲林片高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；
立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，得到M对带有被测物的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；
相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，得到整像素精度的块匹配视差图；
依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图；
将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物的三维点云数据；
对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行自获取相位立体图像对开始的各操作步骤，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
所述得到亚像素精度的单像素匹配视差图，具体步骤为：
(1)对块匹配视差图中的每一像素，根据其像素坐标与视差值，在相位立体图像对的视图1和视图2中分别找到对应的像素点整数坐标；
(2)在视图2中，沿对应点所在的极线，找到距离该点最近的相位为-π/2和π/2的点，以此两个点之间的区间作为单像素匹配的搜索区间；
(3)在搜索区间内，拟合相位-坐标曲线，求该曲线上相位值与视图1中对应点的相位值相等的点的坐标，以此坐标，修正得到单像素匹配下的亚像素精度视差。
散斑投影相移高频率立体视觉三维测量装置，包括投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机和计算机，两部摄像机组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
散斑菲林片的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
散斑菲林片高速转动，其转动的角速度为
Figure BDA0002737901630000021
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数，π是圆周率；
由于散斑菲林片高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；
立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，得到M对带有被测物的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
计算机中，在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；
相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，得到整像素精度的块匹配视差图；
依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图；
将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物的三维点云数据；
对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行自获取相位立体图像对开始的各操作步骤，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
所述计算机为PC计算机、单片机、FPGA或嵌入式设备。
本发明的特点及有益效果是：
原理上，利用散斑的自相关长度这一特性，将散斑纹理与N步相移原理有机结合，提出了一种新型的相位立体视觉测量方法及装置。
精度上，基于散斑纹理的相位立体视目对，避免了立体匹配中的二义性，且无须相位解包裹，可实现亚像素级的单像素立体匹配。
实现上，结构简单，且算法效率高，非常易于实现。
综上，本发明具有很高的实用价值。
附图说明：
图1装置原理图。图中：
101-投影镜头；
102-投影光源；
103-高速旋转的散斑菲林片；
201-摄像机1；
202-摄像机2；
301-被测物。
图2球形被测物的相位立体图像对。
具体实施方式
本发明的目的是在无须相位解包裹的基础上，通过直接在相位域上精确立体匹配，高频率的实现对动态被测物的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
1、本发明装置由图1所示的投影镜头101、投影光源102、高速旋转的散斑菲林片103、摄像机1201、摄像机2202等五部分组成；
2、其中，101、102、103一起组成高速散斑相位投影装置；
3、201和202组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
4、103的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
5、103高速转动，其转动的角速度为
Figure BDA0002737901630000031
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数；
6、由于103高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物301投射不断变化的激光散斑图案；
7、立体视目对以帧率f对301进行连续拍摄，得到M对带有被301的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
8、在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法[5]得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对(为便于理解，给出一组球形被测物的相位立体图像对，并将其表示为如图2所示的灰度图像)；
9、因为：
(1)、散斑纹理具有高度的随机性；
(2)、在随机性的基础上，其分布同可以用统计上的自相关长度进行描述；
(3)、在每一自相关长度范围内，散斑的纹理灰度分布均是连续的，其由亮到暗的变化可以看作正弦变化的近似；
所以，相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，可以用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
10、基于9所述特征，对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配[6]，得到整像素精度的块匹配视差图，为说明方便，此处的块匹配视差图认为是基于视图1的，即块匹配视差图上任一像素的坐标值代表这个像素点在视图1中的坐标、像素的灰度值代表该点在视图1与视图2之间的视差值；但本发明的原理也同样适用于基于视图2的块匹配视差图；
11、依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图，具体步骤为：
(1)对块匹配视差图中的每一像素，根据其像素坐标与视差值，可在相位立体图像对的视图1和视图2中分别找到对应的像素点整数坐标；
(2)在视图2中，沿对应点所在的极线，找到距离该点最近的相位为-π/2和π/2的点，以此两个点之间的区间作为单像素匹配的搜索区间；
(3)在搜索区间内，拟合相位-坐标曲线，求该曲线上相位值与视图1中对应点的相位值相等的点的坐标，以此坐标，修正得到单像素匹配下的亚像素精度视差；
12、将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物301的三维点云数据[6]；
13、对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行步骤8至12的操作，可以实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
14、步骤8、10、12一般在诸如计算机、单片机、FPGA(现场可编程门阵列电路)等计算设备上执行。
下面结合实例进一步详细说明本发明。
1、实施方式的一个示例装置由图1所示的投影镜头101、投影光源102、高速旋转的散斑菲林片103、摄像机1201、摄像机2202等五部分组成，对被测物301进行高频率的三维测量；
2、其中，101、102、103一起组成高速散斑相位投影装置；
3、201和202组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
4、103的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
5、103高速转动，其转动的角速度为
Figure BDA0002737901630000041
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数；
6、由于103高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物301投射不断变化的激光散斑图案；
7、立体视目对以帧率f对301进行连续拍摄，得到M对带有被301的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
8、在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法[5]得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；
9、因为：
(1)、散斑纹理具有高度的随机性；
(2)、在随机性的基础上，其分布同可以用统计上的自相关长度进行描述；
(3)、在每一自相关长度范围内，散斑的纹理灰度分布均是连续的，其由亮到暗的变化可以看作正弦变化的近似；
所以，相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，可以用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
10、基于9所述特征，对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，如绝对误差和(SAD)算法、半全局块匹配(SGBM)算法等[6]，得到整像素精度的块匹配视差图，为说明方便，此处的块匹配视差图认为是基于视图1的，即块匹配视差图上任一像素的坐标值代表这个像素点在视图1中的坐标、像素的灰度值代表该点在视图1与视图2之间的视差值；但本发明的原理也同样适用于基于视图2的块匹配视差图；
11、依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图，具体步骤为：
(1)对块匹配视差图中的每一像素，根据其像素坐标与视差值，可在相位立体图像对的视图1和视图2中分别找到对应的像素点整数坐标；
(2)在视图2中，沿对应点所在的极线，找到距离该点最近的相位为-π/2和π/2的点，以此两个点之间的区间作为单像素匹配的搜索区间；
(3)在搜索区间内，使用线性插值或三次插值法拟合相位-坐标曲线，求该曲线上相位值与视图1中对应点的相位值相等的点的坐标，以此坐标，修正得到单像素匹配下的亚像素精度视差；
12、将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物301的三维点云数据[6]；
13、对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行步骤8至12的操作，可以实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
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Claims (4)

1.一种散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法，其特征是，利用投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机实现，步骤如下：
两部摄像机组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
散斑菲林片的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
散斑菲林片高速转动，其转动的角速度为
Figure FDA0002737901620000011
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数，π是圆周率；
由于散斑菲林片高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；
立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，得到M对带有被测物的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；
相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，得到整像素精度的块匹配视差图；
依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图；
将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物的三维点云数据；
对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行自获取相位立体图像对开始的各操作步骤，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
2.如权利要求1所述的散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法，其特征是，所述得到亚像素精度的单像素匹配视差图，详细步骤如下：
(1)对块匹配视差图中的每一像素，根据其像素坐标与视差值，在相位立体图像对的视图1和视图2中分别找到对应的像素点整数坐标；
(2)在视图2中，沿对应点所在的极线，找到距离该点最近的相位为-π/2和π/2的点，以此两个点之间的区间作为单像素匹配的搜索区间；
(3)在搜索区间内，拟合相位-坐标曲线，求该曲线上相位值与视图1中对应点的相位值相等的点的坐标，以此坐标，修正得到单像素匹配下的亚像素精度视差。
3.一种散斑投影相移高频率立体视觉三维测量装置，其特征是，包括投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机和计算机，两部摄像机组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；
散斑菲林片的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；
散斑菲林片高速转动，其转动的角速度为
Figure FDA0002737901620000012
弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数，π是圆周率；
由于散斑菲林片高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；
立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，得到M对带有被测物的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；
计算机中，在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；
相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；
对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，得到整像素精度的块匹配视差图；
依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图；
将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物的三维点云数据；
对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行自获取相位立体图像对开始的各操作步骤，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。
4.如权利要求3所述的散斑投影相移高频率立体视觉三维测量装置，其特征是，所述计算机为PC计算机、单片机、FPGA或嵌入式设备。
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