CN113155056A - 基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 - Google Patents
基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113155056A CN113155056A CN202110179797.6A CN202110179797A CN113155056A CN 113155056 A CN113155056 A CN 113155056A CN 202110179797 A CN202110179797 A CN 202110179797A CN 113155056 A CN113155056 A CN 113155056A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- fringe
- stripe
- sinusoidal
- gray
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
- G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,包括如下步骤:步骤一、利用计算机生成多种条纹图,具体包括三幅正弦相移条纹图,以及一到多幅多灰度级条纹图;步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次,可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值;步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;步骤六、三维重建,进行相位‑高度转换,得到被测物体的三维高度数据。
Description
技术领域
本发明涉及图像测量领域,尤其是一种基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法
背景技术
三维扫描系统是一种非接触式光学测量系统,通过光栅投影的方式实现点云获取,搭载机器人、导轨、转台等运动机构实现大范围柔性测量,高密度点云测量,真实还原物体的丰富表面细节。通常,每个测量位置点都会投射一组条纹图序列,如:用正弦条纹图序列进行投影,采集到投影后的形变条纹图后,首先需要恢复出主相位,相移法是一种常用的方法,一般需要三张以上的相移图。在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中,为了完成绝对相位的测量,通常需要处理至少9幅条纹图像,限制了测量速度。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,此方法只需投影三帧正弦相移条纹图和多帧多灰度级条纹图,耗时短,可有效提高测量速度,适合需要高速、实时三维测量的场合。
本发明的技术方案为:一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,包括如下步骤:
步骤一、利用计算机生成多种条纹图,具体包括三幅正弦相移条纹图,以及一或多幅多灰度级条纹图;
步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;
步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;
步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次,可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值;
步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;
步骤六、三维重建,进行相位-高度转换,得到被测物体的三维高度数据。
进一步的,所述多灰度级是指至少两灰度级。
进一步的,所述步骤一,利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3并依次满足公式(1)、(2)、(3),
I1(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx-2π/3) (1)
I2(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx) (2)
I3(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx+2π/3) (3)
同时,生成一或多幅多灰度级条纹图I4每一个条纹所占像素是正弦条纹每个周期所占像素的N倍;公式(1)、(2)、(3)中,I1(x,y)、I2(x,y)和I3(x,y)依次为条纹图I1、I2和I3的光强,其中,I′(x,y)为图像直流分量,I″(x,y)为振幅,T为条纹图所包含的周期数。
进一步的,所述步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;具体包括:
其中,α(x,y)为被测物表面反射率,β1(x,y)为被物体反射的环境光,β2(x,y)为直接进入相机的环境光。
进一步的,所述步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;具体包括:
其中三个阈值的大小关系为:m1>m2>m3,可选的,利用直接照明分量和间接照明分量算法计算得到所述阈值。
进一步的,所述步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次;然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;具体包括如下步骤:
步骤(5.1)、然后利用公式(9)对k1(x,y)计算连通域得到t(x,y);
t(x,y)=bwlabel(k1(x,y)) (9)
其中bwlabel(k1(x,y))表示,返回一个和k1(x,y)大小相同的矩阵,包含了标记了k1(x,y)中每个连通区域的类别标签,这些标签的值为1、2、n,n为连通区域的个数;
步骤(5.2)、利用公式(10)比较赋值运算将t(x,y)处理得到t1(x,y)。
t1(x,y)=F1(t(x,y)) (10)
其中F1(t(x,y))表示,如果t(x,y)=0且t(x,y-1)≠0,则赋值t(x,y)=t(x,y-1);
步骤(5.2)、利用公式(11)计算得到t2(x,y):
t2(x,y)=F2(t1(x,y)) (11)
其中F2(t(x,y))表示,如果t(x,y+1)-t(x,y)>1且直到t(x,y+n)-t(x,y)>1,则赋值t(x,y:y+n)=t(x,y)+1;
步骤(5.3)、利用公式(12)得到绝对条纹级次k2(x,y);
k2(x,y)=k1(x,y)+4(t2(x,y)-1) (12)
进一步的,所述步骤六、三维重建,进行相位-高度转换,得到被测物体的三维高度数据,具体包括,利用相位-高度公式(14)得到物体表面每一点的高度信息:
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率,为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。DLP投影仪和相机CCD位于同一高度,d0为DLP投影仪和相机CCD之间的距离,l0为DLP投影仪和相机CCD到参考平面的距离。
有益效果:
本发明的方法相对于现有技术的优点在于,本发明只需投影三幅正弦相移条纹图和一幅(或多幅)多灰度级条纹图,所需投影的数量大大减少,耗时短,可有效提高测量速度,适合需要高速、实时三维测量的场合。
附图说明
图1:(a)条纹图I1,(b)条纹图I2,(c)条纹图I3;
图2:多灰度级条纹图I4;
图3:绝对相位解算示意图,其中,曲线A为包裹相位,曲线B为绝对条纹级次,曲线C为绝对相位;
图4:本发明的测试装置布置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例,提出一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,该方法包括下列步骤:
步骤一、利用计算机生成多种条纹图,具体包括三幅正弦相移条纹图和多幅多灰度级条纹图;可选的,所述多灰度级是指至少两灰度级;
步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;
步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;
步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次,可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值;
步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;
步骤六、三维重建,进行相位-高度转换,得到被测物体的三维高度数据。
具体的,下面对各步骤进行详细说明。
步骤一,如图1(a)-(c)所示,利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3并依次满足公式(1)、(2)、(3),
I1(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx-2π/3) (1)
I2(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx) (2)
I3(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx+2π/3) (3)
同时,生成多幅多灰度级条纹图,根据本发明的一个实施例,如图2所示,此处生成的多灰度级条纹图为四灰度级条纹图I4,I4是255,169,84,0为一个周期进行循环的条纹图像。I4每一个条纹所占像素是正弦条纹每个周期所占像素的N倍。
公式(1)、(2)、(3)中,I1(x,y)、I2(x,y)和I3(x,y)依次为条纹图I1、I2和I3的光强,其中,I′(x,y)为图像直流分量,I″(x,y)为振幅,T为条纹图所包含的周期数。
步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;
如图4所示,将被测物体放置在投影区域的平面内,用投影仪将步骤一所生成的多幅条纹图I1、I2、I3、I4依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集,依次获得被待测物体调制的多幅条纹图其光强分布如下:
其中,α(x,y)为被测物表面反射率,β1(x,y)为被物体反射的环境光,β2(x,y)为直接进入相机的环境光。
步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;具体包括:
其中三个阈值的大小关系为:m1>m2>m3,可选的,可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值;
步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;具体包括如下步骤:
步骤(5.1)、然后利用公式(9)对k1(x,y)计算连通域得到t(x,y);
t(x,y)=bwlabel(k1(x,y)) (9)
其中bwlabel(k1(x,y))表示,返回一个和k1(x,y)大小相同的矩阵,包含了标记了k1(x,y)中每个连通区域的类别标签,这些标签的值为1、2、n(连通区域的个数)。
步骤(5.2)、利用公式(10)比较赋值运算将t(x,y)处理得到t1(x,y)。
t1(x,y)=F1(t(x,y)) (10)
其中F1(t(x,y))表示,如果t(x,y)=0且t(x,y-1)≠0,则赋值t(x,y)=t(x,y-1)。
步骤(5.2)、利用公式(11)计算得到t2(x,y):
t2(x,y)=F2(t1(x,y)) (11)
其中F2(t(x,y))表示,如果t(x,y+1)-t(x,y)>1且直到t(x,y+n)-t(x,y)>1,则赋值t(x,y:y+n)=t(x,y)+1。
步骤(5.3)、利用公式(12)得到绝对条纹级次k2(x,y)。
k2(x,y)=k1(x,y)+4(t2(x,y)-1) (12)
如图3所示,曲线A为包裹相位,曲线B为绝对条纹级次,曲线C为绝对相位。
步骤六、三维重建,相位-高度转换。具体包括,三维重建,利用相位-高度公式(14)得到物体表面每一点的高度信息:
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率,为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。DLP投影仪和相机CCD位于同一高度,d0为DLP投影仪和相机CCD之间的距离,l0为DLP投影仪和相机CCD到参考平面的距离。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,且应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、利用计算机生成多种条纹图,具体包括三幅正弦相移条纹图,以及一或多幅多灰度级条纹图;
步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面,对每幅投影图像用相机进行采集;
步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位;
步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次;
步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次,然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;
步骤六、三维重建,进行相位-高度转换,得到被测物体的三维高度数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,其特征在于:
所述多灰度级是指至少两灰度级。
3.根据权利要求1所述的一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,其特征在于,所述步骤一,利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3并依次满足公式(1)、(2)、(3),
I1(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx-2π/3) (1)
I2(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx) (2)
I3(x,y)=I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx+2π/3) (3)
同时,生成一或多幅多灰度级条纹图I4每一个条纹所占像素是正弦条纹每个周期所占像素的N倍;公式(1)、(2)、(3)中,I1(x,y)、I2(x,y)和I3(x,y)依次为条纹图I1、I2和I3的光强,其中,I′(x,y)为图像直流分量,I″(x,y)为振幅,T为条纹图所包含的周期数。
7.根据权利要求1所述的一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法,其特征在于:所述步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次;然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位;具体包括如下步骤:
步骤(5.1)、然后利用公式(9)对k1(x,y)计算连通域得到t(x,y);
t(x,y)=bwlabel(k1(x,y)) (9)
其中bwlabel(k1(x,y))表示,返回一个和k1(x,y)大小相同的矩阵,包含了标记了k1(x,y)中每个连通区域的类别标签,这些标签的值为1、2、n,n为连通区域的个数;
步骤(5.2)、利用公式(10)比较赋值运算将t(x,y)处理得到t1(x,y);
t1(x,y)=F1(t(x,y)) (10)
其中F1(t(x,y))表示,如果t(x,y)=0且t(x,y-1)≠0,则赋值t(x,y)=t(x,y-1);
步骤(5.2)、利用公式(11)计算得到t2(x,y):
t2(x,y)=F2(t1(x,y)) (11)
其中F2(t(x,y))表示,如果t(x,y+1)-t(x,y)>1且直到t(x,y+n)-t(x,y)>1,则赋值t(x,y:y+n)=t(x,y)+1;
步骤(5.3)、利用公式(12)得到绝对条纹级次k2(x,y);
k2(x,y)=k1(x,y)+4(t2(x,y)-1) (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110179797.6A CN113155056B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110179797.6A CN113155056B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113155056A true CN113155056A (zh) | 2021-07-23 |
CN113155056B CN113155056B (zh) | 2023-02-07 |
Family
ID=76882958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110179797.6A Active CN113155056B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113155056B (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113327317A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-08-31 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 三维点云图获取方法、装置、电子设备和存储介质 |
CN114754703A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-15 | 安徽大学 | 一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统 |
CN116608794A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-18 | 山东科技大学 | 一种抗纹理3d结构光成像方法、系统、装置及存储介质 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101813461A (zh) * | 2010-04-07 | 2010-08-25 | 河北工业大学 | 基于复合彩色条纹投影的绝对相位测量方法 |
US20110080471A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-07 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Hybrid method for 3D shape measurement |
CN106840036A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-13 | 江苏四点灵机器人有限公司 | 一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法 |
CN108534714A (zh) * | 2018-03-09 | 2018-09-14 | 南昌航空大学 | 基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法 |
CN109141291A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-04 | 南昌航空大学 | 一种快速相位解包裹算法 |
CN109974626A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-05 | 四川大学 | 一种基于相移量编码条纹级次的结构光三维测量方法 |
CN110645919A (zh) * | 2019-08-23 | 2020-01-03 | 安徽农业大学 | 一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法 |
-
2021
- 2021-02-08 CN CN202110179797.6A patent/CN113155056B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110080471A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-07 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Hybrid method for 3D shape measurement |
CN101813461A (zh) * | 2010-04-07 | 2010-08-25 | 河北工业大学 | 基于复合彩色条纹投影的绝对相位测量方法 |
CN106840036A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-13 | 江苏四点灵机器人有限公司 | 一种适用于快速三维形貌测量的二元结构光优化方法 |
CN108534714A (zh) * | 2018-03-09 | 2018-09-14 | 南昌航空大学 | 基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法 |
CN109141291A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-04 | 南昌航空大学 | 一种快速相位解包裹算法 |
CN109974626A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-05 | 四川大学 | 一种基于相移量编码条纹级次的结构光三维测量方法 |
CN110645919A (zh) * | 2019-08-23 | 2020-01-03 | 安徽农业大学 | 一种基于空域二值编码的结构光三维测量方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
YANJUN FU等: ""three-dimensional profile measurement of the blade based on surface structured light"", 《OPTIK》 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113327317A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-08-31 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 三维点云图获取方法、装置、电子设备和存储介质 |
CN114754703A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-15 | 安徽大学 | 一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统 |
CN114754703B (zh) * | 2022-04-19 | 2024-04-19 | 安徽大学 | 一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统 |
CN116608794A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-18 | 山东科技大学 | 一种抗纹理3d结构光成像方法、系统、装置及存储介质 |
CN116608794B (zh) * | 2023-07-17 | 2023-10-03 | 山东科技大学 | 一种抗纹理3d结构光成像方法、系统、装置及存储介质 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113155056B (zh) | 2023-02-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN113155056B (zh) | 基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法 | |
Zhang | Absolute phase retrieval methods for digital fringe projection profilometry: A review | |
CN108534714B (zh) | 基于正弦和二进制条纹投影的快速三维测量方法 | |
Su et al. | Fourier transform profilometry:: a review | |
Liu et al. | Real-time 3D surface-shape measurement using background-modulated modified Fourier transform profilometry with geometry-constraint | |
Wu et al. | A DIC-assisted fringe projection profilometry for high-speed 3D shape, displacement and deformation measurement of textured surfaces | |
CN104677307B (zh) | 结合三维及二维形貌的量测方法及装置 | |
CN108195313A (zh) | 一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法 | |
Feng et al. | Graphics processing unit–assisted real-time three-dimensional measurement using speckle-embedded fringe | |
CN111174730B (zh) | 一种基于相位编码的快速相位解包裹方法 | |
Deng et al. | High-speed and high-accuracy fringe projection profilometry without phase unwrapping | |
CN110849290B (zh) | 基于形态学操作的分段量化编码强度的三维测量方法 | |
Liu et al. | Background and amplitude encoded fringe patterns for 3D surface-shape measurement | |
Xu et al. | Simple and effective phase unwrapping technique | |
Wang et al. | Motion-induced error reduction for phase-shifting profilometry with phase probability equalization | |
CN106767531B (zh) | 一种二维运动物体的三维测量方法及装置 | |
CN105588518B (zh) | 基于双角度多频率条纹投影的三维形貌获取方法及装置 | |
He et al. | A composite-structured-light 3D measurement method based on fringe parameter calibration | |
CN110440714A (zh) | 一种基于多频和二进制条纹的相位解包裹方法 | |
CN113503832B (zh) | 一种基于物体横向尺寸辅助的绝对相位恢复方法 | |
CN114252026B (zh) | 调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统 | |
Rianmora et al. | Structured light system-based selective data acquisition | |
Cheng et al. | Color fringe projection profilometry using geometric constraints | |
JP2010151781A (ja) | 周波数推定方法、周波数推定装置、表面形状測定方法及び表面形状測定装置 | |
CN110375672B (zh) | 基于模拟退火算法的实时相位测量轮廓术 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |