CN114018176A - 一种投影图像处理模块、三维重构方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影图像处理模块、三维重构方法及其系统，该方法包括将通过三步相移法生成的正弦条纹光栅图案编码进RGB信道，获得彩色图像并投影至被测物体以获取原始投影图像；计算原始投影图像相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；对原始投影图像进行希尔伯特变换后计算相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；对第一包裹相位和第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位并进行相位展开以被测物体的三维高度值。本申请只需要一帧彩色条纹相移图片，获取相位过程快速，且基于希尔伯特变换对非正弦误差进行补偿，可以将非正弦误差降低80％。
Description
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，更具体地，涉及一种投影图像处理模块、三维重构方法及其系统。
背景技术
三维形貌测量技术分为被动三维测量和主动三维测量方法。被动三维测量技术无需辅助的结构光照明，但是测量精度低。相移条纹投影技术属于主动式三维测量方法，这种方法需使用特定照明光源，向被测物体投影一定形式的结构光。通过反射回的光来对物体的三维结构进行测量。相比被动三维测量技术，主动式三维测量方法具有形式灵活、分辨率高、高帧速全场三维重建等突出的优点。
相移条纹投影技术面临的主要难题是由于投影仪或CCD相机等器件的gamma失真带来的误差难以消除。由于人对自然界光强的感知是非线性的，相比于较亮的部分，人眼对于较暗的部分的光强更为敏感。为了使人对图像的灰度变化感受符合线性分布，则需要通过非线性变换更变输出灰度值。这个非线性变换过程将会引入gamma失真。上述难点为重构系统的设计带来了局限性，严重影响了重构效果。因此引入彩色相移条纹减少gamma失真对测量结果的影响，对于三维形貌测量具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种投影图像处理模块、三维重构方法及其系统，其目的在于解决投影图像处理过程中的图像失真的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种三维重构方法，其包括：
将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道，获得一帧彩色图像；
将所述彩色图像投影至被测物体，接收反射调制后的原始投影图像；
计算所述原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；
对所述原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像；
计算所述转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；
对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位；
对所述修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位；
根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值。
优选地，通过三步相移法生成三幅正弦条纹光栅图案，对应的光强度为
In(x，y)＝a+b cos(2πfx+δn)n＝1,2,3
其中，In为第n幅正弦条纹光栅图案的光强度，(x，y)是像素坐标，a和b分别表示背景强度和条纹对比强度，f表示条纹空间频率；δn＝2π(n-1)/N是相移量，N表示相移步数。
优选地，所述第一包裹相位为
其中，
为所述原始投影图像的灰度。
优选地，所述第二包裹相位为
其中，
是经过希尔特变换后的光强。
优选地，对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，包括，对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位求平均值。
优选地，对所述修正包裹相位进行相位展开，包括：
以每个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
根据窗口内像素点的修正包裹相位
构建质量函数
其中，(m，n)是像素坐标，W{*}为取包裹操作，k是窗口边长，
为k×k窗口的平均偏导数；
将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
优选地，根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值，包括：
通过参考平面的设置得到所述展开相位相对于参考平面的相对相位
将相对相位
代入相位-高度映射关系式，解出高度值，所述相位-高度映射关系式为
其中，l为接收所述原始投影图像的摄像机中心到参考面距离，d为投影所述彩色图像的投影仪和所述摄像机中心间距，λ0为相机光栅节距。
按照本发明的第二方面，提供了一种投影图像处理模块，其包括：
变换单元，用于对原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像，所述原始投影图像为将相移条纹的彩色图像投影至被测物体、经所述被测物体反射所得；
计算单元，用于计算所述原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；还用于计算所述转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；
相位修正单元，用于对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位；
相位展开单元，用于对所述修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位；
三维重构单元，用于根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值
优选地，所述相位展开单元包括：
窗口子单元：用于以每个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
质量计算单元，用于根据窗口内像素点的修正包裹相位
构建并计算质量函数
其中,(m，n)是像素坐标，W{*}为取包裹操作，k是窗口边长，
为k×k窗口的平均偏导数；
相位展开子单元：用于将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
按照本发明的第二方面，提供了一种三维重构系统，其包括：
投影仪，用于将彩色图像投影至被测物体；
摄像机，用于接收经所述被测物体反射调制后的原始投影图像；
处理器，包括为所述投影仪提供彩色图像的编码处理模块和用于获取所述原始投影图像并进行处理的投影图像处理模块，所述编码处理模块用于将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道以获得一帧彩色图像，所述投影图像处理器为上述投影图像处理器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
采用分信道的方式利用三步相移法计算彩色条纹图片包裹相位，这种方式只需要一帧彩色条纹相移图片，获取相位过程快速，适合测量动态的物体；
对原始投影图像进行希尔伯特变换，分别对原始投影图像和转换图像进行最小二乘运算，得到两个包裹相位并进行加权运算，即基于希尔伯特变换对非正弦误差进行补偿，理论上可以将非正弦误差降低80％，大大提高了重构图像的精度；
当使用质量图引导法进行相位展开时，可以将噪声限制在局部，进一步提高了重构图像的精度。
附图说明
图1是本申请一实施例中的光栅投影测量系统光路示意图；
图2是本申请一实施例中的三维重构的工作过程示意图；
图3是本申请一实施例中的三维重构方法的步骤流程图；
图4是本申请一实施例中的获取到的原始投影图像；
图5是本申请一实施例中的根据图4进行重构的三维还原图；
图6是本申请一实施例中的投影图像处理模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，此为光栅投影测量系统光路示意图。其包含被测物体，投影仪和摄像机三个部分，各自分别具有一坐标系。主要工作过程如图2所示，投影仪发出一组具有相移的光栅条纹，在被测物体对光栅条纹的反射过程中，各点的高度信息包含在了包裹相位图内。摄像机进行采集后通过相位展开算法，即可从包裹相位图内获取真实相位信息，对被测物体进行三维结构还原。
如图3所示为本申请一实施例中的三维重构方法的步骤流程图，其包括：
步骤S100：将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道，获得一帧彩色图像。
此步骤具体可分为以下子步骤：
步骤S110：将通过三步相移法生成三幅正弦条纹光栅图案编码。
在相位展开算法运行的过程中，首先投影机三步相移法生成正弦条纹光栅，强度为：
In(x，y)＝a+b cos(2πfx+δn)n＝1，2，3
其中In是条纹图案的强度；a和b分别表示背景强度和条纹对比强度，f表示条纹空间频率，a、b和f的数值可根据测量需求进行设定；δn＝2π(n-1)/N是相移量；N是相移步数，在本实施例中，N＝3；(x，y)是像素坐标。
步骤S120：将三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道，获得一帧彩色图像。
通过把三幅条纹图片编码进彩色图片RGB三个信道，使得一帧彩色图像包含所有所需信息，在投影过程中仅使用一帧彩色图像即可完成投影过程。
步骤S200：将彩色图像投影至被测物体，接收反射调制后的原始投影图像。
具体的，发出的条纹光栅经过物体表面反射调制后被摄像机接收，得到原始投影图像。如图4所示为获取到的具体的原始投影示意图。
步骤S300：计算原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位。
用最小二乘法获得第一包裹相位，其原理为：寻找已展开的相邻像素点间展开相位差值与该相邻像素点间包裹相位差值之差的最小二乘解,得到最小二乘意义下的第一包裹相位。最终公式为：
其中
是摄像机接收到的原始投影图像的灰度；δn＝2π(n-1)/N是相移量；φC是第一包裹相位值。
步骤S400：对原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像。
希尔伯特变换可以使得图像发生π/2的相移，可以去除图像中的正弦结构图样，实现图像的重构处理。将原始投影图像灰度做希尔伯特变换，得到希尔伯特域光强信息：
其中
是经过希尔特变换后的光强；
是投影过程摄像机接收到的光强；H[*]是希尔伯特变换操作。
步骤S500：计算转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位。
同样采用最小二乘法得希尔伯特域的包裹相位，即寻找已展开的相邻像素点间展开相位差值与该相邻像素点间包裹相位差值之差的最小二乘解，得到最小二乘意义下的第二包裹相位
其中
是经过希尔特变换后的光强；φHC是希尔伯特域的包裹相位。
步骤S600：对第一包裹相位和第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位。
其中，加权权值可灵活设置。在本实施例中，权重各为0.5，即，取两者的平均值作为修正包裹相位：
其中，φHC和
分别是希尔伯特变换前后计算得到的包裹相位；
是经过非正弦误差补偿后的修正包裹相位。
步骤S700：对修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位。
在一实施例中，采用质量图引导法，对上述过程所得到的修正包裹相位进行相位展开。
具体的，步骤S700可包括以下子步骤：
步骤S710：以每一个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
步骤S720：根据窗口内像素点的修正包裹相位
计算质量函数值Z。质量函数的定义为：
其中,(m，n)是像素坐标；W{*}为取包裹操作；
k是窗口边长；
为k×k窗口的平均偏导数。
步骤730：将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
依据Itoh原理，即相位主值的差分等于包裹相位差分的再包络，将质量最好的点即Z值最大的点作为相位展开基准点，并按照质量函数值高的先展开，质量函数值低的后展开的方式来进行相位展开得到展开相位
步骤S800：根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值。
在一实施例中，通过参考平面的设置得到相对于参考平面的相对相位
将相对相位代入如下的相位-高度映射关系式，解出高度值，既完成了物体的三维结构还原。物体的高度信息h与相对相位
之间存在如下关系：
其中，l为摄像机中心到参考面距离，d为投影仪和摄像机中心间距，λ0为相机光栅节距。如图5为根据上述方法对图4中的原始投影进行处理后得到的三维还原图，由此可见，通过上述方法，能够对被测物体进行较好的三维还原。
可以理解，上述三维重构方法还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，例如不限于上述提及的步骤顺序，只要能完成上述各步骤即可。
本申请还涉及一种投影图像处理模块，如图6所示，投影图像处理模块包括：
变换单元，用于对原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像，原始投影图像为将相移条纹的彩色图像投影至被测物体、经被测物体反射所得；
计算单元，用于计算原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；还用于计算转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；
相位修正单元，用于对第一包裹相位和第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位；
相位展开单元，用于对修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位；
三维重构单元，用于根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值。
在一实施例中，相位展开单元包括：
窗口子单元：用于以每个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
质量计算单元，用于根据窗口内像素点的修正包裹相位
构建并计算质量函数
其中,(m，n)是像素坐标，W{*}为取包裹操作，k是窗口边长，
为k×k窗口的平均偏导数；
相位展开子单元：用于将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
上述投影图像处理模块用于获取摄像机接收到的投影图像并进行处理，具体的，投影图像处理模块中各单元用于执行原始投影图像处理的各个步骤，具体可参考上文，在此不再赘述。
本申请还涉及一种三维重构系统，参见图2，该三维重构系统包括投影仪，用于将彩色图像投影至被测物体；
摄像机，用于接收经被测物体反射调制后的原始投影图像；
处理器，包括为投影仪提供彩色图像的编码处理模块和用于获取原始投影图像并进行处理的投影图像处理模块，编码处理模块用于将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道以获得一帧彩色图像，投影图像处理器为上述投影图像处理器。其中，处理器具体可位于电脑、手机或其他处理装置上。
综上，本申请采用分信道的方式利用三步相移法计算彩色条纹图片包裹相位，这种方式只需要一帧彩色条纹相移图片，获取相位过程快速，适合测量动态的物体；在接收到原始投影图像后，对原始投影图像进行希尔伯特变换，分别对原始投影图像和转换图像进行最小二乘运算，得到两个包裹相位并进行加权运算，即基于希尔伯特变换对非正弦误差进行补偿，理论上可以将非正弦误差降低80％，大大提高了重构图像的精度。同时，在相位展开时，利用质量图引导法进行相位展开，可以将噪声限制在局部，进一步提高了重构图像的精度。
本领域的技术人员容易理解，以上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 (10)
1.一种三维重构方法，其特征在于，包括：
将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道，获得一帧彩色图像；
将所述彩色图像投影至被测物体，接收反射调制后的原始投影图像；
计算所述原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；
对所述原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像；
计算所述转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；
对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位；
对所述修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位；
根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值。
2.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，通过三步相移法生成三幅正弦条纹光栅图案，对应的光强度为
In(x，y)＝a+b cos(2πfx+δn)n＝1,2,3
其中，In为第n幅正弦条纹光栅图案的光强度，(x，y)是像素坐标，a和b分别表示背景强度和条纹对比强度，f表示条纹空间频率；δn＝2π(n-1)/N是相移量，N表示相移步数。
3.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，所述第一包裹相位为
其中，
为所述原始投影图像的灰度。
4.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，所述第二包裹相位为
其中，
是经过希尔特变换后的光强。
5.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，包括，对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位求平均值。
6.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，对所述修正包裹相位进行相位展开，包括：
以每个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
根据窗口内像素点的修正包裹相位
构建质量函数
其中,(m，n)是像素坐标，W{*}为取包裹操作，k是窗口边长，
为k×k窗口的平均偏导数；
将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
7.如权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值，包括：
通过参考平面的设置得到所述展开相位相对于参考平面的相对相位
将相对相位
代入相位-高度映射关系式，解出高度值，所述相位-高度映射关系式为
其中，l为接收所述原始投影图像的摄像机中心到参考面距离，d为投影所述彩色图像的投影仪和所述摄像机中心间距，λ0为相机光栅节距。
8.一种投影图像处理模块，其特征在于，包括：
变换单元，用于对原始投影图像的图像灰色进行希尔伯特变换，得到转换图像，所述原始投影图像为将相移条纹的彩色图像投影至被测物体、经所述被测物体反射所得；
计算单元，用于计算所述原始投影图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第一包裹相位；还用于计算所述转换图像中相邻像素点间展开相位差值与相邻像素点间包裹相位差值的最小二乘解，得到第二包裹相位；
相位修正单元，用于对所述第一包裹相位和所述第二包裹相位进行加权计算，得到修正包裹相位；
相位展开单元，用于对所述修正包裹相位进行相位展开，得到展开相位；
三维重构单元，用于根据展开相位与高度的关系，得到被测物体的三维高度值。
9.如权利要求8所述的投影图像处理模块，其特征在于，所述相位展开单元包括：
窗口子单元：用于以每个像素点为中心取长度为k的正方形窗口；
质量计算单元，用于根据窗口内像素点的修正包裹相位
构建并计算质量函数
其中,(m，n)是像素坐标，W{*}为取包裹操作，k是窗口边长，
为k×k窗口的平均偏导数；
相位展开子单元：用于将质量函数Zm，n取最大值的点作为相位展开基准点，按照质量函数值由高到低的顺序先后进行相位展开得到展开相位
10.一种三维重构系统，其特征在于，包括：
投影仪，用于将彩色图像投影至被测物体；
摄像机，用于接收经所述被测物体反射调制后的原始投影图像；
处理器，包括为所述投影仪提供彩色图像的编码处理模块和用于获取所述原始投影图像并进行处理的投影图像处理模块，所述编码处理模块用于将通过三步相移法生成的三幅正弦条纹光栅图案编码进RGB三个信道以获得一帧彩色图像，所述投影图像处理器为权利要求8或9所述的投影图像处理器。
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