CN113188477A - 基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法。该方法将三个不同频率但相位相同的正弦条纹编码到彩色三通道中。单帧时间内向被测物顺序投影彩色正弦复合条纹图和一张空白图。对相机捕捉到的彩色三通道正弦条纹图进行解串扰，再用空白图求解彩色被测物表面每个像素点的真实反射率以及解决在傅里叶获取截断相位阶段的零频与基频混叠问题。利用三频外差原理进行相位展开求取连续相位并将相位信息带入高度公式进行三维重建。本发明仅利用两张图完成了彩色物体三维重建，并利用空白图在求解出彩色被测物真实反射率的同时消除了零频与基频的混叠问题，相较与传统彩色投影测量速度与精度都有提高，适用于彩色动态物体的三维测量。

Description

基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法

技术领域

本发明属于一种光学快速三维测量方法，属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法。

技术背景

近些年来工业获得迅猛发展，生物技术、信息科学技术、材料科学技术、以及制造技术逐步被视为21世纪的四大支柱科技，并被许多国家所重视。一个国家在制造业方面的水平在一定程度上反映了该国家科技发展水平高低。先进的测量技术是制造业的基础，在工业生产中许多时候都需要获取某工件的三维尺寸，因此实现对工件的三维测量获取三维形貌是当代诸多研究者的关注焦点。与此同时在三维测量方面如何提高测量速度，又是重中之重。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法，通过以下技术方案实现。

一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在标定阶段，向白色参考面顺序投射红、绿、蓝三张纯色图，并由相机接收，用来计算串扰矩阵M。在投影测量阶段，向被测物投射包含红绿蓝三个通道的彩色正弦复合条纹图，每个通道内各包含一个标准正弦图，每个正弦图相位相同但频率互不相同，投影彩色正弦复合条纹图后追加投射一张用于测量反射率的空白图，依此可以逐像素求出每点的真实反射率K，利用M和K值对相机捕捉到的彩色三通道正弦条纹图进行条纹矫正；

步骤二、利用背景归一化的傅里叶方法消除零频与基频的混叠问题，获得截断相位；

步骤三、利用三频外差原理进行相位展开求取连续相位并将相位信息带入高度公式进行三维重建。

本发明的优点：

1、仅利用两张图完成了彩色物体三维重建；

2、利用空白图在求解出彩色被测物真实反射率的同时解决了在傅里叶求取包裹相位时零频与基频的混叠问题；

3、本方法计算简单，控制灵活，操作简便，对彩色物体的测量具有较高的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统原理示意图。

图2为本发明使用的彩色正弦复合条纹图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法，其原理如图1所示，包括采集设备CCD相机1、投影设备2、参考面3、待测物体4和计算机(图中未示出)。先用计算机生成预先设计好的彩色正弦复合条纹图，再利用投影设备2将彩色正弦复合条纹图投射到参考面3和待测物体4上，经过待测物体4和参考面3反射后，由CCD相机1采集到条纹信息，经过软件处理后，恢复待测物体4的三维形貌。

本发明所述的一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法，步骤如下：

步骤一、在标定阶段，相机采集到的像素值和投影图案的像素值的关系如式(1)所示，标定阶段用的是白色标定板，表面反射率K为1。所以，向白色参考面顺序投射红、绿、蓝三张纯色图，并由相机接收，用来计算串扰矩阵M。

C＝MKP(I) (1)

然而在利用彩色正弦复合条纹图对彩色物体进行测量时，被测物表面的彩色部分对红、绿、蓝三色条纹图的反射率不同，这会干扰测量结果，因此在实验中还需要在每张彩色正弦复合条纹图后再向被测物多投射一张用于测量反射率的空白图。依此可以逐像素求出每点的真实反射率：

K＝M^-1C/255 (3)

这样将M，K带入式(4)就可对条纹进行校正。

P＝(MK)^-1C (4)

步骤二、在对经过被测物和参考面的条纹图进行串扰校正和反射率校正后，还需要利用基于背景归一化的傅里叶变换方法获取截断相位。当被测物存在不连续表面，表面存在锐利边缘或者表面反射率变化剧烈时会导致基频与零频混叠，这就导致在滤波阶段无法正确滤出基频分量，在后来的相位展开阶段出现错误。

为了解决以上问题，需要使用基于背景归一化的傅里叶变换方法，该方法需要在向被测物投射的每张彩色复合正弦条纹图后追加一张空白图，这张被引入的空白图既可以消除频率混叠问题，又可以在串扰矫正阶段即步骤一中测出被测物表面的反射率，帮助条纹矫正。

在基于背景归一化的傅里叶变换方法中，用于投影的正弦条纹亮度符合公式：

在这里a^p和b^p的值都为

所以亮度公式又可表示为：

在每张彩色复合正弦条纹图中追加一张空白图，其每个像素点的亮度值都为1，因此可以表示为：

CCD相机采集到经过反射作用的条纹可以表示为：

式中，β₁为被测物表面的环境光，β₂为直接由相机采集到的环境光。由于实验在黑暗条件下进行，所以环境光强度为零，对实验的影响可以忽略不计，因此，上式可以化简为：

相机接收到经被测物表面反射的空白图强度值与被测物表面反射率相等：

I₂(x^c,y^c)＝α(x^c,y^c) (10)

此时，利用空白图进行消除零频与被测物体表面反射率不均匀影响，即进行背景归一化得：

为了便于对上式进行傅里叶变换，将其转化为指数表达式：

对上式进行傅里叶变换：

此时利用滤波器滤出基频，再对其进行傅里叶逆变换，代入反正切函数求得截断相位

步骤三、利用三频外差原理对截断相位进行相位展开操作获得连续相位，代入高度公式

恢复三维形貌。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于三通道正弦条纹投影的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在标定阶段，向白色参考面顺序投射红、绿、蓝三张纯色图，并由相机接收，用来计算串扰矩阵M；在投影测量阶段，向被测物投射包含红绿蓝三个通道的彩色正弦复合条纹图，每个通道内各包含一个标准正弦图，每个正弦图相位相同但频率互不相同，投影彩色正弦复合条纹图后追加投射一张用于测量反射率的空白图，依此可以逐像素求出每点的真实反射率K，利用M和K值对相机捕捉到的彩色三通道正弦条纹图进行条纹矫正；

步骤二、利用背景归一化的傅里叶方法消除零频与基频的混叠问题，获得截断相位；

步骤三、利用三频外差原理进行相位展开求取连续相位并将相位信息带入高度公式进行三维重建。

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