CN113124779B - 一种快速的双向结构光解码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构光三维重建技术领域,具体涉及一种快速的双向结构光解码方法。本发明通过标定矩阵建立了垂直方向和水平方向相位的关系,可以将水平方向的绝对相位转换为垂直方向,将转换后的相位作为垂直方向的基频相位,从而可以进一步去掉垂直方向的基频光栅图。与传统方法相比,本发明的方法所需光栅图减少,从而能够快速实现物体垂直相位和水平相位的解码。

Description

一种快速的双向结构光解码方法
技术领域
本发明属于结构光三维重建技术领域,具体涉及一种快速的双向结构光解码方法。
背景技术
结构光测量是一种非接触式光学三维测量技术,它通常使用投影仪将编码好的光栅图片投影到待测物体表面,然后用一个相机同步地采集被待测物体三维表面调制后的结构光光栅图片,最后利用采集到的光栅图片计算待测物体的相位,进而重建得到物体的三维点云分布。它具有测量精度高,计算复杂度小,鲁棒性强的优点。
结合使用垂直方向和水平方向的相位,可以提高三维重建的精度。但是为了同时得到垂直方向和水平方向的相位,需要投影仪分别将一组横向光栅图片和一组纵向光栅图片投射到待测物体上,并同步采集。这极大的增加了扫描时间,阻碍了三维信息获取的实时性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够快速获取物体垂直相位和水平相位的解码方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:沿着水平方向和垂直方向投影的光栅图片可以编码为:
Figure BDA0003007933520000011
Figure BDA0003007933520000012
Figure BDA0003007933520000013
Figure BDA0003007933520000014
分别表示在坐标(xp,yp)处,水平方向和垂直方向光栅图片的像素灰度值,Ap和Bp是两个常量,它们满足Ap+Bp=255,Ap≥Bp的关系。Wp和Hp是投影仪的水平分辨率和垂直分辨率,f是光栅图片的空间频率,n和N分别代表投影图片的索引和总数。
当上述编码图片被投影到待测物体上时,相机同步抓取得到的图片可以表示为:
Figure BDA0003007933520000015
Figure BDA0003007933520000021
Figure BDA0003007933520000022
Figure BDA0003007933520000023
分别表示在坐标(xc,yc)处,沿着水平方向和垂直方向采集到的图片的灰度值。
Figure BDA0003007933520000024
Figure BDA0003007933520000025
表示直流分量,
Figure BDA0003007933520000026
Figure BDA0003007933520000027
表示调制值,φx和φy就是水平相位和垂直相位。其中,
Figure BDA0003007933520000028
φxy都是(xc,yc)的函数,为了公式的简洁清晰,进行省略。
其中,相位φx和φy可以通过下式进行计算:
Figure BDA0003007933520000029
Figure BDA00030079335200000210
需要注意的是,φx和φy通常是缠绕的,需要进行解缠绕操作得到绝对相位。本发明通过下述方法解缠绕φy,为了得到φy的参考相位
Figure BDA00030079335200000211
本发明提出投影以下2张光栅图片
Figure BDA00030079335200000212
Figure BDA00030079335200000213
表示为:
Figure BDA00030079335200000214
Figure BDA00030079335200000215
同样地,它们对应的相机采集照片
Figure BDA00030079335200000216
Figure BDA00030079335200000217
可以表示为:
Figure BDA00030079335200000218
Figure BDA00030079335200000219
Figure BDA00030079335200000220
分别表示直流分量,调制以及参考相位。在公式(9)和(10)中,一共有三个未知数
Figure BDA00030079335200000221
但是仅有两个方程。为了得到未知数的值,对于不同频率的直流分量,理论上是相同的。因此可以把
Figure BDA00030079335200000222
替换为
Figure BDA00030079335200000223
那么
Figure BDA00030079335200000224
的计算可以表示为:
Figure BDA00030079335200000225
其中,
Figure BDA0003007933520000031
通过上述方法,可以仅通过2张光栅图片,得到垂直方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000032
并使用其对φy进行传统解缠绕操作。
本发明通过下述方法解缠绕φx,通过标定矩阵,可以建立初始三维坐标(Xw,Yw,Zw)与投影仪坐标(xp,yp)之间的联系:
Figure BDA0003007933520000033
Figure BDA0003007933520000034
其中,
Figure BDA0003007933520000035
(i=1,2,3;j=1,2,3,4)表示投影仪标定矩阵的元素,可以通过xp得到水平方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000036
并使用其对φx进行传统解缠绕操作。
Figure BDA0003007933520000037
因为(Xw,Yw,Zw)是通过垂直方向的相位和标定矩阵计算而来,而之前已经得到了它们。那么,可以使用公式(13)(14)和(15),间接的计算水平方向参考相位
Figure BDA0003007933520000038
从而无需投影水平方向的基频光栅图片。
本发明的有益效果为,传统方法为了获取垂直相位和水平相位,需要分别投影各自所需的光栅图片到待测物体上,包含水平方向基频光栅图,水平方向高频光栅图,垂直方向基频光栅图,垂直方向高频光栅图。本发明发现直流分量的值在不同频率下是一致的,可以将水平方向的基频光栅图减少为2张,本发明发现直流分量的值与扫描方向无关,可以将垂直方向的基频和高频光栅图减少为2张。本发明通过标定矩阵建立了垂直方向和水平方向相位的关系,可以将水平方向的绝对相位转换为垂直方向,将转换后的相位作为垂直方向的基频相位,从而可以进一步去掉垂直方向的基频光栅图。最终可以将所需的投影光栅图片总数减少为7张,主要包括2张水平方向基频光栅图,3张水平方向高频光栅图,2张垂直方向高频光栅图。从而可以减少投影时间,快速得到两个方向的相位。
附图说明
图1为实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例
如图1所示,本例中所使用的光栅图片为7张,具体包括:
1.投影编码好的光栅图片并进行同步的采集,主要包括:2张垂直方向的基频图片,3张垂直方向的高频图片和2张水平方向的高频图片。首先,从3张垂直方向的高频图片中使用公式(6)计算垂直方向的缠绕相位φy,使用公式(12)计算直流分量。
2.使用上一步得到的直流分量,从2张垂直方向的基频图片中使用公式(11)计算垂直方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000041
从2张水平的高频图片中计算得到水平方向的缠绕相位φx
3.从垂直方向的缠绕相位φy和垂直方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000042
中,利用相位解缠绕方法,得到垂直方向的绝对相位。
4.然后,可以从垂直方向的绝对相位中利用公式(13)(14)和(15),计算得到水平方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000043
5.最后,从水平方向的缠绕相位φx和水平方向的参考相位
Figure BDA0003007933520000044
中,利用相位解缠绕方法,得到水平方向的绝对相位。

Claims (1)

1.一种快速的双向结构光解码方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将沿着水平方向和垂直方向投影的光栅图片编码为:
Figure FDA0003339392510000011
Figure FDA0003339392510000012
其中,
Figure FDA0003339392510000013
Figure FDA0003339392510000014
分别表示在坐标(xp,yp)处,水平方向和垂直方向光栅图片的像素灰度值,Ap和Bp是两个常量,且Ap+Bp=255,Ap≥Bp,Wp和Hp是投影仪的水平分辨率和垂直分辨率,f是光栅图片的空间频率,n和N分别代表投影图片的索引和总数;
S2、将步骤S1的编码图片投影到待测物体,通过相机同步抓取得到的图片为:
Figure FDA0003339392510000015
Figure FDA0003339392510000016
其中,
Figure FDA0003339392510000017
Figure FDA0003339392510000018
分别表示在坐标(xc,yc)处,沿着水平方向和垂直方向采集到的图片的灰度值,
Figure FDA0003339392510000019
Figure FDA00033393925100000110
表示直流分量,
Figure FDA00033393925100000111
Figure FDA00033393925100000112
表示调制值,φx和φy为水平相位和垂直相位:
Figure FDA00033393925100000113
Figure FDA00033393925100000114
S3、通过解缠绕得到绝对相位:
对垂直方向的绝对相位,投影以下2张光栅图片
Figure FDA00033393925100000115
Figure FDA00033393925100000116
Figure FDA0003339392510000021
Figure FDA0003339392510000022
对应的相机采集照片
Figure FDA0003339392510000023
Figure FDA0003339392510000024
为:
Figure FDA0003339392510000025
Figure FDA0003339392510000026
其中,
Figure FDA0003339392510000027
分别表示直流分量、调制值以及参考相位;将
Figure FDA0003339392510000028
替换为
Figure FDA0003339392510000029
得到
Figure FDA00033393925100000210
为:
Figure FDA00033393925100000211
Figure FDA00033393925100000212
得到垂直方向的参考相位
Figure FDA00033393925100000213
后,使用其对垂直相位φy进行解缠绕得到垂直方向的绝对相位;
对水平方向的绝对相位,建立初始三维坐标(Xw,Yw,Zw)与投影仪坐标(xp,yp)之间的联系:
Figure FDA00033393925100000214
Figure FDA00033393925100000215
其中,
Figure FDA00033393925100000216
表示投影仪标定矩阵的元素,i=1,2,3;j=1,2,3,4,通过xp得到水平方向的参考相位
Figure FDA00033393925100000217
Figure FDA0003339392510000031
使用
Figure FDA0003339392510000032
对水平相位φx进行解缠绕得到水平方向的绝对相位。
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