CN113607085B - 一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法及装置 - Google Patents

一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学三维测量领域，特别是一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法及装置。本发明先对半截断正弦条纹图像进行二值编码，得到编码条纹组；再将编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集返回的条纹图像；最后将条纹图像解相位，得到待测物体的三维数据。本发明采用半截断正弦条纹图像进行二值编码，由于半截断的正弦条纹图像有一半的像素是0，所以在进行二值编码时，这部分像素可以使用0进行编码，并不会带来编码误差，继而在离焦投影后，这部分区域也不会有强度误差。与采用标准正弦条纹图像进行二值编码和离焦投影相比，极大的减少了与标准正弦条纹之间条纹的强度误差，也减少了三维测量结果的误差，提高了三维测量的精度。

Description

一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光学三维测量领域，特别是一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法及装置。
背景技术
基于条纹结构光的三维测量是一种非接触式的测量方法，它具有很多优点，比如高精度以及高速度等。它广泛应用于自动加工、高速在线检测、航空航天、物理仿形等领域。
通常情况下，商用的数字光学投影仪都有一定非线性问题存在，这会导致最后的三维测量结果有很大的误差，为了解决这个问题，业内提出了很多方法，其中二值离焦技术是一种常用的克服投影仪非线性的方法。这类方法通常是首先对标准正弦条纹图像进行二值编码(也就是用0和1来表示图像的每个像素值)，然后通过离焦投影，投射出接近标准正弦的条纹图像来进行后续的条纹结构光测量。二值离焦技术除了能解决投影仪非线性问题以外，还可以充分利用数字投影仪的特性，提高条纹投射的速度，继而提高三维测量的速度。
但由于二值离焦技术在二值编码过程中，存在编码误差，继而在离焦投影后，与标准正弦条纹相比存在强度误差，最终会导致三维测量结果出现误差。因此，如今需要一种能够降低离焦投影后与标准正弦条纹之间条纹的强度误差以及相位误差，从而降低三维测量的误差的离焦投影的三维测量方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有离焦投影三维测量技术条纹图强度误差较大导致离焦三维测量结果不精确的问题，提供一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法，包括以下步骤：
S1：对半截断正弦条纹图像进行二值编码，得到编码条纹组；
S2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像；
S3：采用四步相移法对所述条纹图像进行解相位，并通过相位图重建得到所述待测物体的三维数据。
本发明采用半截断正弦条纹图像进行二值编码，由于半截断的正弦条纹图像有一半的像素是0，所以在进行二值编码时，这部分像素可以容易地使用0进行编码，并不会带来编码误差，继而在离焦投影后，这部分区域也不会有强度误差。与采用标准正弦条纹图像进行二值编码和离焦投影相比，极大的减少了与标准正弦条纹之间条纹的强度误差，从而减少了三维测量结果的误差，提高了三维测量的精度。同时由于半截断正弦条纹包含偶数级的高次谐波，本发明通过采用四步相移法来完美消除这些高次谐波的影响，使得半截断正弦条纹图像的相位计算结果与标准正弦条纹图像相同，有效地提高了本发明检测结果的准确性。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1中所述半截断正弦条纹图像的生成公式为：
Figure BDA0003129675760000021
其中，Iht-sin为所述半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为所述半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1采用误差扩散编码算法对所述半截断正弦条纹图像进行二值编码。
作为本发明的优选方案，所述待测物体返回的所述条纹图像为4幅相移为
Figure BDA0003129675760000031
的图像。
一种三维测量装置，包括至少一个处理器，至少一个执行焦离投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用半截断正弦条纹图像进行二值编码，由于半截断的正弦条纹图像有一半的像素是0，所以在进行二值编码时，这部分像素可以容易地使用0进行编码，且不会带来编码误差，继而在离焦投影后，这部分区域也不会有强度误差。与采用标准正弦条纹图像进行二值编码和离焦投影相比，极大的减少了与标准正弦条纹之间条纹的强度误差，从而减少了三维测量结果的误差，提高了三维测量的精度。同时本发明通过采用四步相移法来完美消除这些高次谐波的影响，使得半截断正弦条纹图像的相位计算结果与标准正弦条纹图像相同，有效地提高了本发明检测结果的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法中正弦条纹图像、半截断正弦条纹图像以及他们对应的横截面图；
图3为本发明实施例1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法中离焦投影后的正弦条纹图像的误差分布结果和半截断正弦条纹图像的误差分布结果；
图4为本发明实施例1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法的中基于半截断正弦条纹的二值离焦技术与传统的基于标准正弦条纹的二值离焦技术的对比实验结果；
图5为本发明实施例2所述的一种利用了实施例1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法的一种三维测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法，包括以下步骤：
S1：对半截断正弦条纹图像进行二值编码，得到编码条纹组。
其中，所述半截断正弦条纹图像的生成公式为：
Figure BDA0003129675760000051
其中，Iht-sin为所述半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为所述半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。如图2(a)所示，为标准的正弦条纹图像以及它对应的横截面图。如图2(b)所示，为生成的半截断正弦条纹图像以及它对应的横截面的一个示例。
并且，由于半截断的正弦条纹图像有一半的像素是0，所以在进行二值编码时，这部分像素可以容易地使用0进行编码，并不会带来编码误差，所以采用半截断正弦条纹图像进行离焦投影后获取的条纹图像只在一半的区域含有强度误差，而传统一般方法使用标准正弦条纹图像进行离焦投影后获取的条纹图像几乎在所有区域都含有强度误差。由图3所示，能够很容易得出本结论，其中，图3(a)展示了离焦投影后的标准正弦条纹图像的其中一行以及它对应的误差图；图3(b)展示了离焦投影后的半截断正弦条纹图像的其中一行以及它对应的误差图。
本发明采用误差扩散编码算法(如Floyd-Steinberg算法)对所述半截断正弦条纹图像进行误差扩散抖动二值编码。
S2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像。
其中，所述待测物体返回的所述条纹图像为4幅相移为
Figure BDA0003129675760000052
的图像。
S3：将所述条纹图像解相位，并通过相位图重建得到所述待测物体的三维数据。
其中，本发明采用四步相移法进行解相位。由于半截断正弦条纹包含偶数级的高次谐波，而四步相移法刚好可以完美消除这些高次谐波的影响，使得半截断正弦条纹图像的相位计算结果与标准正弦条纹图像相同，所以本发明采用四步相移法。根据半截断正弦条纹的傅里叶级数展开式，可以看出它确实只包含了偶数级的高次谐波。其中半截断正弦条纹的傅里叶级数展开式如下：
Figure BDA0003129675760000061
采用四步相移法时，条纹的相位误差
Figure BDA0003129675760000062
和条纹的强度误差ΔAn有如下关系：
Figure BDA0003129675760000068
其中，ΔAn为第n帧图的强度误差，n∈[1,4]，
Figure BDA0003129675760000063
为相位，B为所述条纹图像中条纹的调制度。
而由于使用半截断正弦条纹图像进行离焦投影后获取的条纹图像只在一半的区域含有强度误差，所以使用四步相移法时，半截断正弦条纹的相位误差
Figure BDA0003129675760000064
和条纹的强度误差ΔAn有如下关系：
Figure BDA0003129675760000065
对比可得：
Figure BDA0003129675760000066
其中，
Figure BDA0003129675760000067
分别为半截断正弦条纹和标准正弦条纹的相位误差的标准差，可以看出两种条纹有相同的调制度，而σ表示强度误差的标准差，这里假设了两种条纹在有强度误差的区域有相同标准差的强度误差。所以理论上，基于半截断正弦条纹的二值离焦技术，相对于基于标准正弦条纹的二值离焦技术，可以使得相位误差的方差降低50％，标准差降低29.3％。
由图4所示，是基于半截断正弦条纹的二值离焦技术与传统的基于标准正弦条纹的二值离焦技术的对比实验结果(选用S型Floyd-Steinberg算法进行误差扩散抖动二值编码)。实验测试了小，中，大三种离焦量情况下12至120的10种条纹周期，发现基本在所有条件下，基于半截断正弦条纹的二值离焦技术都能获得比传统的基于标准正弦条纹的二值离焦技术更好的相位计算结果，并且实验结果基本符合我们的理论分析。
实施例2
如图5所示，一种三维测量装置，包括至少一个处理器，至少一个执行焦离投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为三维测量装置提供电能。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对半截断正弦条纹图像进行二值编码，得到编码条纹组；
S2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像；
S3：采用四步相移法对所述条纹图像进行解相位，并通过相位图重建得到所述待测物体的三维数据；
所述步骤S1中所述半截断正弦条纹图像的生成公式为：
Figure FDA0003453172850000011
其中，Iht-sin为所述半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为所述半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。
2.根据权利要求1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法，其特征在于，所述步骤S1采用误差扩散编码算法对所述半截断正弦条纹图像进行二值编码。
3.根据权利要求1所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法，其特征在于，所述待测物体返回的所述条纹图像为4幅相移为
Figure FDA0003453172850000012
的图像。
4.一种三维测量装置，其特征在于，包括至少一个处理器，至少一个执行焦离投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至3中任一项所述的方法。
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