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

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：

和

分别表示在坐标(x^p,y^p)处，水平方向和垂直方向光栅图片的像素灰度值，A^p和B^p是两个常量，它们满足A^p+B^p＝255，A^p≥B^p的关系。W^p和H^p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：

和

分别表示在坐标(x^c,y^c)处，沿着水平方向和垂直方向采集到的图片的灰度值。

和

表示直流分量，

和

表示调制值，φ^x和φ^y就是水平相位和垂直相位。其中，

φ^x,φ^y都是(x^c,y^c)的函数，为了公式的简洁清晰，进行省略。

其中，相位φ^x和φ^y可以通过下式进行计算：

需要注意的是，φ^x和φ^y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φ^y，为了得到φ^y的参考相位

本发明提出投影以下2张光栅图片

和

表示为：

同样地，它们对应的相机采集照片

和

可以表示为：

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

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

替换为

那么

的计算可以表示为：

其中，

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

并使用其对φ^y进行传统解缠绕操作。

本发明通过下述方法解缠绕φ^x，通过标定矩阵，可以建立初始三维坐标(X^w,Y^w,Z^w)与投影仪坐标(x^p,y^p)之间的联系：

其中，

(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x^p得到水平方向的参考相位

并使用其对φ^x进行传统解缠绕操作。

因为(X^w,Y^w,Z^w)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

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φ^y，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

从2张水平的高频图片中计算得到水平方向的缠绕相位φ^x。

3.从垂直方向的缠绕相位φ^y和垂直方向的参考相位

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

5.最后，从水平方向的缠绕相位φ^x和水平方向的参考相位

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：

其中，

和

分别表示在坐标(x^p,y^p)处，水平方向和垂直方向光栅图片的像素灰度值，A^p和B^p是两个常量，且A^p+B^p＝255，A^p≥B^p，W^p和H^p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：

其中，

和

分别表示在坐标(x^c,y^c)处，沿着水平方向和垂直方向采集到的图片的灰度值，

和

表示直流分量，

和

表示调制值，φ^x和φ^y为水平相位和垂直相位：

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

和

对应的相机采集照片

和

为：

其中，

分别表示直流分量、调制值以及参考相位；将

替换为

得到

为：

得到垂直方向的参考相位

后，使用其对垂直相位φ^y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(X^w,Y^w,Z^w)与投影仪坐标(x^p,y^p)之间的联系：

其中，

表示投影仪标定矩阵的元素，i＝1,2,3；j＝1,2,3,4，通过x^p得到水平方向的参考相位

使用

对水平相位φ^x进行解缠绕得到水平方向的绝对相位。

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