CN113686263B - 一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，具体包括以下步骤：步骤S1：搭建条纹投影三维测量系统，包括投影仪和摄像机；步骤S2：投影仪依次投射N幅相移条纹图案投射到运动物体表面，摄像机同步采集运动物体调制后的变形的相移条纹图像；步骤S3：利用N步相移法求解相移条纹的截断相位φ1；构建组合相位；采用直方图均衡化处理组合相位得到校正的组合相位；步骤S4：构建样条插值函数f(φ1)，消除引入的离散性相位误差，则φ3＝f(φ1)表示优化的截断相位；步骤S5：针对优化的截断相位φ3进行相位展开，获得连续的绝对相位Φ3，将所述绝对相位Φ3转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。

Description

一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法。
背景技术
条纹投影法具有非接触、精度高、速度快、成本低等优点，广泛应用于三维测量领域，其关键在于如何准确提取条纹的相位分布。相移法是比较常用的相位提取算法，然而当测量运动物体时，多幅相移条纹之间的相移量会发生改变，进而引入周期性的相位误差。
针对上述问题，国内外学者提出了一些误差补偿方法，均取得了不错的效果(Optics and Lasers in Engineering,2021,141:106573)。例如，通过特征匹配来估计物体运动信息，但不适用于特征不明显的运动物体(Optics Express,2013,21(25):30610-22；Optics Express,2020,28(19):28600-11)；结合傅里叶等频域法来补偿相位误差，但涉及到频域运算，运算量较大，且鲁棒性一般(Optics Express,2016,24(20):23289-303；Optics Express,2019,27(3):2713-31)。
综上所述，如何准确地恢复出运动物体的三维形貌，仍面临着较大的挑战。
发明内容
本发明提供一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：搭建一个条纹投影三维测量系统，包括投影仪和摄像机，所述投影仪和摄像机同步触发开启工作，投影仪、摄像机和运动物体三者构成三角测量关系；
步骤S2：投影仪依次投射N，其中N≥3，幅相移条纹图案投射到运动物体表面，由于运动物体表面形貌的调制作用，相移条纹发生变形，摄像机同步采集运动物体调制后的变形的相移条纹图像；
步骤S3：利用N步相移法求解相移条纹的截断相位φ1；为消除因物体运动引入的相位误差，构建组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]，其中mod表示求余函数；采用直方图均衡化处理组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]得到校正的组合相位[φ2,mod(φ2+π,2π)]，其中φ2表示校正的截断相位；
步骤S4：因为校正的截断相位φ2是离散值，未校正的截断相位φ1是连续值，为进一步消除因直方图均衡化引入的离散性相位误差，选择校正的截断相位φ2作为函数值，未校正的截断相位φ1的均值作为自变量，构建样条插值函数f(φ1)，则φ3＝f(φ1)表示优化的截断相位；
步骤S5：针对优化的截断相位φ3进行相位展开，获得连续的绝对相位Φ3，通过系统标定过程得到相位-高度转换关系，将连续的绝对相位Φ3转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。
进一步的，所述步骤S2中，投影仪所投射的相移条纹图案，其强度表达式如下：
Figure GDA0003528720060000021
式中：n＝0,1,2,...,N-1；(xp,yp)表示投影仪的像素坐标；T表示条纹周期；2πn/N表示相移量。
进一步的，所述步骤S2,摄像机所采集的相移条纹图像，其强度表达式如下：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ0(x,y)+2πn/N+εn(x,y)]；
式中：n＝0,1,2,...,N-1；(x,y)表示摄像机的像素坐标；A和B分别表示平均强度、调制强度；φ0表示理想的截断相位；εn表示因物体运动引入的额外相移量；其中，对于刚性运动物体而言，额外相移量εn可认为是常量(Applied Optics,2018,57(36):10364-9)。
进一步的，所述步骤S3中，利用N步相移法求解相移条纹的截断相位φ1：
Figure GDA0003528720060000031
式中：n＝0,1,2,...,N-1；
理论分析得知，理想的截断相位φ0的概率分布是均匀的，求解的截断相位φ1的概率分布是不均匀的(Optics Express,2019,27(22):32047-57)；相位误差Δφ1＝φ1-φ0呈现周期性分布，其周期是相移条纹周期的两倍(Optics Express,2018,26(26):34224-35)；
根据上述特性，采用直方图均衡化处理组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]得到校正的组合相位[φ2,mod(φ2+π,2π)]，并从中提取校正的截断相位φ2，其目的是减少物体形貌对直方图分布的影响；或者，采用直方图均衡化直接处理未校正的截断相位φ1得到校正的截断相位φ2。
采用以上技术方案的有益效果是：
1、本发明提供的一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，只需要依次投射N幅相移条纹图案投射到运动物体表面，三维测量速度快。
2、本发明提供的一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，不需要复杂算法如特征匹配、频域运算等估计物体运动信息，且直方图均衡化易于实现，三维测量的灵活性大大提高。
附图说明
图1为平面运动物体的仿真实验结果；(a)-(c)三步相移条纹；(d)-(f)截断相位φ1,φ2,φ3；
图2为平面运动物体的相位误差Δφ1,Δφ2,Δφ3；
图3为复杂运动物体的仿真实验结果；(a)-(c)三步相移条纹；(d)-(f)截断相位φ1,φ2,φ3；
图4为复杂运动物体的相位误差Δφ1,Δφ2,Δφ3；
图5为对个运动物体的真实实验结果；(a)-(c)三步相移条纹；(d)-(f)截断相位φ1,φ2,φ3；(g)-(i)绝对相位Φ1,Φ2,Φ3；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图5所示，本发明是一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，以三步相移法为例，依次对平面运动物体的仿真实验、复杂运动物体的仿真实验、多个运动物体的真实实验进行介绍，具体包括以下步骤：
实施例1：
步骤S1：搭建一个条纹投影三维测量系统，包括投影仪和摄像机，所述投影仪和摄像机同步触发开启工作，投影仪、摄像机和运动物体三者构成三角测量关系；
步骤S2：投影仪依次投射三幅相移条纹图案投射到运动物体表面，由于运动物体表面形貌的调制作用，相移条纹发生变形，摄像机同步采集运动物体调制后的变形的相移条纹图像；图1(a)-(c)为平面运动物体的仿真相移条纹图像；图3(a)-(c)为复杂运动物体的仿真相移条纹图像；图5(a)-(c)为多个运动物体的真实相移条纹图像；
步骤S3：利用三步相移法求解相移条纹的截断相位φ1；图1(d)为平面运动物体的截断相位φ1；图3(d)为复杂运动物体的截断相位φ1；图5(d)为多个运动物体的截断相位φ1；从图中可以看出，上述截断相位φ1的线性度较差，包含较大的相位误差；为消除因物体运动引入的相位误差，构建组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]，其中mod表示求余函数；采用直方图均衡化处理组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]得到校正的组合相位[φ2,mod(φ2+π,2π)]，其中φ2表示校正的截断相位；图1(e)为平面运动物体的截断相位φ2；图3(e)为复杂运动物体的截断相位φ2；图5(e)为多个运动物体的截断相位φ2；从图中可以看出，上述截断相位φ2的线性度较好，相位误差明显减少；
步骤S4：因为校正的截断相位φ2是离散值，未校正的截断相位φ1是连续值，为进一步消除因直方图均衡化引入的离散性相位误差，选择校正的截断相位φ2作为函数值，未校正的截断相位φ1的均值作为自变量，构建样条插值函数f(φ1)，则φ3＝f(φ1)表示优化的截断相位；图1(f)为平面运动物体的截断相位φ3；图3(f)为复杂运动物体的截断相位φ3；图5(f)为多个运动物体的截断相位φ3。分别将截断相位φ1,φ2,φ3减去截断相位φ0，得到对应的相位误差Δφ1,Δφ2,Δφ3。图2展示了平面运动物体的相位误差Δφ1,Δφ2,Δφ3；图3展示了复杂运动物体的相位误差Δφ1,Δφ2,Δφ3；从图中可以看出，相位误差Δφ1的幅值较大；相位误差Δφ2的幅值较小，但毛刺较多；相位误差Δφ3的幅值最小，且毛刺较少。
步骤S5：针对优化的截断相位φ3进行相位展开，获得连续的绝对相位Φ3，通过系统标定过程得到相位-高度转换关系，将连续的绝对相位Φ3转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。图5(g)-(i)为多个运动物体的绝对相位Φ1,Φ2,Φ3。从图中可以看出，相对于绝对相位Φ1，绝对相位Φ2,Φ3的相位误差明显减少，重建的运动物体三维形貌更为平滑。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：搭建一个条纹投影三维测量系统，包括投影仪和摄像机，所述投影仪和摄像机同步触发开启工作，投影仪、摄像机和运动物体三者构成三角测量关系；
步骤S2：投影仪依次投射N，其中N≥3，幅相移条纹图案投射到运动物体表面，由于运动物体表面形貌的调制作用，相移条纹发生变形，摄像机同步采集运动物体调制后的变形的相移条纹图像；
步骤S3：利用N步相移法求解相移条纹的截断相位φ1；为消除因物体运动引入的相位误差，构建组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]，其中mod表示求余函数；采用直方图均衡化处理组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]得到校正的组合相位[φ2,mod(φ2+π,2π)]，其中φ2表示校正的截断相位；
步骤S4：因为校正的截断相位φ2是离散值，未校正的截断相位φ1是连续值，为进一步消除因直方图均衡化引入的离散性相位误差，选择校正的截断相位φ2作为函数值，未校正的截断相位φ1的均值作为自变量，构建样条插值函数f(φ1)，则φ3＝f(φ1)表示优化的截断相位；
步骤S5：针对优化的截断相位φ3进行相位展开，获得连续的绝对相位Φ3，通过系统标定过程得到相位-高度转换关系，将连续的绝对相位Φ3转换为高度信息，重建出运动物体的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，投影仪所投射的相移条纹图案，其强度表达式如下：
Figure FDA0003528720050000011
式中：n＝0,1,2,...,N-1；(xp,yp)表示投影仪的像素坐标；T表示条纹周期；2πn/N表示相移量。
3.根据权利要求1所述的一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S2,摄像机所采集的相移条纹图像，其强度表达式如下：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ0(x,y)+2πn/N+εn(x,y)]；
式中：n＝0,1,2,...,N-1；(x,y)表示摄像机的像素坐标；A和B分别表示平均强度、调制强度；φ0表示理想的截断相位；εn表示因物体运动引入的额外相移量；其中，对于刚性运动物体而言，额外相移量εn可认为是常量。
4.根据权利要求1所述的一种基于相移条纹投影的刚性运动物体三维测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用N步相移法求解相移条纹的截断相位φ1：
Figure FDA0003528720050000021
式中：n＝0,1,2,...,N-1；
理论分析得知，理想的截断相位φ0的概率分布是均匀的，求解的截断相位φ1的概率分布是不均匀的；相位误差Δφ1＝φ1-φ0呈现周期性分布，其周期是相移条纹周期的两倍；
根据上述特性，采用直方图均衡化处理组合相位[φ1,mod(φ1+π,2π)]得到校正的组合相位[φ2,mod(φ2+π,2π)]，并从中提取校正的截断相位φ2，其目的是减少物体形貌对直方图分布的影响；或者，采用直方图均衡化直接处理未校正的截断相位φ1得到校正的截断相位φ2。
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