CN114234850A - 一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提出一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，包括以下步骤：步骤A：根据相位的级次总数，把2π相位按级次总数均分，调制级次相位于周期边缘；步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制级次相位到周期边缘的正弦条纹图案；步骤C：投影仪投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，获取待测物体的正弦条纹图案；步骤D：据N步相移法对相机获取的N幅正弦条纹图案求解均值强度、调制强度以及包裹相位；步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，取出所有周期边缘的边缘坐标；步骤F：使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次，逐个像素解包裹得到绝对相位；步骤G：根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。

Description

一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法

技术领域

本发明涉及结构光三维测量技术领域，特别是一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法。

背景技术

结构光测量技术具有非接触、全场无损耗测量、高精度、速度快等优点,已在工业检测、机器视觉、文物数字化、医学等领域得到大量运用。在现有的结构光测量系统中，由一个相机和一个投影仪组成的结构光三维测量系统，因具有结构简单、点云重建效率高等优点而被广泛使用。典型的单相机结构光三维测量系统在测量过程中由投影装置把条纹图案投影到被测物体表面,同时使用相机拍摄经被测物体高度调制而发生变形的条纹图案,然后通过对变形的条纹图像进行处理,计算出代表物体高度的相位信息,最后根据相位信息和已标定出的系统参数，利用三角原理获得被测物体的三维信息。

结构光的三维测量主要分为两个步骤，即包裹相位的求解和绝对相位的求解。根据绝对相位求解原理的不同，求解绝对相位的方法又可分为时间相位展开方法、空间相位展开方法、立体相位展开方法。空间相位展开方法所需的投影图案幅数少，可用于动态场景测量，但是解相的精度相对较低；立体相位展开方法虽然能够解决空间相位展开解相精度低的问题，但是需要增加额外的相机设备辅助解包裹。时间相位展开方法因为其精度高、鲁棒性强、适应性广、设备简单等优点被广泛应用，但是传统的时间相位展开方法如多频外差法、相位编码法、格雷码编码法等都需要投影大量的条纹图案，增加了解包裹的时间，对待测物体的运动敏感。因此，为了实现高速高精度的三维测量，减少用于相位解包裹需要的投影数量一直是条纹相移轮廓术的研究重点。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，提高相位解包裹的速度和精度，实现高速、高精度的三维测量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，包括以下步骤：

步骤A：根据相位的级次总数，把2π相位按级次总数均分，调制级次相位于周期边缘；

步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制级次相位到周期边缘的正弦条纹图案；

步骤C：投影仪投影生成的N幅条纹图案到待测物体表面，相机获取待测物体表面变形的正弦条纹图案；

步骤D：据N步相移法对相机获取的N幅正弦条纹图案求解均值强度、调制强度以及包裹相位；

步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用调制强度与邻域不同的特征，对调制强度使用边缘检测算法提取出所有周期边缘的边缘坐标；

步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到该像素最近的边缘坐标，使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次，逐个像素解包裹得到绝对相位；

步骤G：根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。

优选的，所述步骤B中，通过公式一表示所述正弦条纹图案；

其中I_n(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B₁是包裹相位调制强度，B₂是级次相位调制强度，B₂＝C*B₁，C是标准比例因子，

是包裹相位，

表示正弦条纹图案的边缘周期，

表示正弦条纹图案的非边缘周期。

优选的，所述步骤C中，通过公式二表示相机获取投射到物体表面的所述正弦条纹图案；

其中(x,y)代表着相机的图像像素坐标，I_n′表示采集的第n张条纹图像；A′是条纹图像的均值强度；B₁′是条纹图像包裹相位的调制强度；B₂′是条纹图像级次相位的调制强度。

优选的，所述步骤D中获取均值强度、调制强度以包裹相位的获取公式如下：

其中

是包裹相位，n是边缘码值在序列中的排号，I_n′(x,y)为相机采集的第n张变形的正弦条纹图案，A′是正弦条纹图案的均值强度，B′为调制强度。

优选的，所述步骤E的具体过程如下：

根据周期边缘的调制强度与邻域的不同，获取调制强度与均值强度的比例获得比例因子，通过比例因子获取得到边缘坐标，其中获取比例因子的公式六与边缘坐标的公式七如下：

其中C′(x,y)为比例因子，C为标准比例因子，Median[.]是中值滤波函数，Mask_edge(x,y)是周期边缘的掩码，T是实现提取边缘区域的比例阈值，B′(x,y)为(x，y)处的调制强度，A′(x,y)为(x，y)处的正弦条纹图案的均值强度。

优选的，所述步骤E的具体过程如下：采用公式八获取得到包裹相位的每个像素对应最近的边缘坐标，通过边缘坐标以及调制的级次相位确定该像素的条纹级次，最后通过公式十与条纹级次获取该点像素的绝对相位；

(x′,y′)＝FindMin{Mask_edge(x_s,y_s)×Dis[(x_s,y_s),(x,y)]|(x_s,y_s)∈S}——公式八；

其中(x′,y′)为包裹相位像素中最近的边缘坐标，(x,y)为包裹相位像素的坐标，Dis[(),()]是计算两个点之间距离的函数，FindMin{.}是求得最小值处的坐标的函数,S是相机图像中横坐标小于x的所有像素点的集合，k(x,y)是(x,y)点处的条纹级次，φ(x,y)为(x,y)点处的绝对相位，

是(x′,y′)点处的包裹相位。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本申请解算周期边缘调制的级次相位，确定条纹级次，求解绝对相位，可实现少量图案完成三维测量。投影条纹图案的幅数少，是常规N步相移法结合三频外差法解包裹相位投影幅数的三分之一，相移编码法投影幅数的一半，解相速度快，点云重建效率高。。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图。

图2是本发明的一个实施例的演变示意图；

图3为本发明的一个实施例的编码示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

首先，本发明通过以下的公式推导，生成调制级次相位于周期边缘的正弦条纹图案，其过程如下：

进一步，利用N步相移法对相机获取的N幅条纹图像求解包裹相位及调制强度；基于周期边缘的调制强度与邻域不同的特征，计算调制强度与均值强度的比例获得比例因子，并使用边缘检测算法提取出所有边缘坐标。对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次k，逐像素求解绝对相位。

如图1～3所示：一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，包括以下步骤：

步骤A：根据相位的级次总数，把2π相位按级次总数均分，调制级次相位于周期边缘；

具体地，所述步骤A中，把2π相位按级次总数均分获得级次相位，调制级次相位到周期边缘，调制级次相位的规则如下：设编码的正弦条纹级次总数为M，把2π的相位按级次总数M均分，则相邻周期的级次相位相差

第一个周期边缘的级次相位为0，第二个周期边缘的级次相位为

第三个周期边缘的级次相位为

第M个周期边缘的级次相位为

根据级次相位和级次序号的换算关系，每一个级次相位唯一确定一个级次序号。

步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制级次相位到周期边缘的正弦条纹图案；

步骤C：投影仪投影生成的N幅条纹图案到待测物体表面，相机获取待测物体表面变形的正弦条纹图案；

步骤D：据N步相移法对相机获取的N幅正弦条纹图案求解均值强度、调制强度以及包裹相位；

步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用调制强度与邻域不同的特征，对调制强度使用边缘检测算法提取出所有周期边缘的边缘坐标；

步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到该像素最近的边缘坐标，使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次，逐个像素解包裹得到绝对相位；

步骤G：根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。

本发明提出一种新的调制级次相位到周期边缘的编码方法，基于该编码方法，将级次相位调制到周期边缘中，根据N步相移法生成N幅调制的条纹图案。本发明使用N步相移法求解包裹相位以及调制强度。基于周期边缘的调制强度与邻域不同的特征，使用边缘检测算法提取出所有边缘坐标；对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次k，逐像素解包裹得到绝对相位。最后根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型，完成待测物体的三维测量。

本发明提供的调制级次相位到周期边缘的三维测量方法，无需投影大量的正弦条纹图案，相比传统的时间相位展开算法能够减少投影时间和解算时间；由于在每个级次相位都调制到相位周期边缘，相比传统的空间相位展开算法能够提高求解绝对相位的准确性和可靠性。其中，本发明采用的编码方法更加有理可循，在调制级次相位于周期边缘的前提下，只需要提取相位的周期边缘和解算最近边缘的级次相位对应的条纹级次即可，相对于以往的空间相位展开算法和时间相位展开算法，解决了空间相位展开精度低和时间相位展开速度慢的问题。

优选的，所述步骤B中，通过公式一表示所述正弦条纹图案；

其中I_n(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B₁是包裹相位调制强度，B₂是级次相位调制强度，B₂＝C*B₁，C是标准比例因子，

是包裹相位，

表示正弦条纹图案的边缘周期，

表示正弦条纹图案的非边缘周期。

优选的，所述步骤C中，通过公式二表示相机获取投射到物体表面的正弦条纹图案；

其中(x,y)代表着相机的图像像素坐标，I_n′表示采集的第n张条纹图像；A′是条纹图像的均值强度；B₁′是条纹图像包裹相位的调制强度；B₂′是条纹图像级次相位的调制强度。

优选的，所述步骤D中获取均值强度、调制强度以包裹相位的获取公式如下：

其中

是包裹相位，I_n′(x,y)为相机采集的第n张变形的正弦条纹图案，A′是正弦条纹图案的均值强度，B′为调制强度。

优选的，所述步骤E的具体过程如下：

根据周期边缘的调制强度与邻域的不同，获取调制强度与均值强度的比例获得比例因子，通过比例因子获取得到边缘坐标，其中获取比例因子的公式六与边缘坐标的公式七如下：

其中C′(x,y)为比例因子，C为标准比例因子，Median[.]是中值滤波函数，Mask_edge(x,y)是周期边缘的掩码，T是实现提取边缘区域的比例阈值，B′(x,y)为(x，y)处的调制强度，A′(x,y)为(x，y)处的正弦条纹图案的均值强度。

优选的，所述步骤E的具体过程如下：采用公式八获取得到包裹相位的每个像素对应最近的边缘坐标，通过边缘坐标以及调制的级次相位确定该像素的条纹级次，最后通过公式十与条纹级次获取该点像素的绝对相位；

(x′,y′)＝FindMin{Mask_edge(x_s,y_s)×Dis[(x_s,y_s),(x,y)]|(x_s,y_s)∈S}——公式八；

其中(x′,y′)为包裹相位像素中最近的边缘坐标，(x,y)为包裹相位像素的坐标，Dis[(),()]是计算两个点之间距离的函数，FindMin{.}是求得最小值处的坐标的函数,S是相机图像中横坐标小于x的所有像素点的集合，k(x,y)是(x,y)点处的条纹级次，φ(x,y)为(x,y)点处的绝对相位，

是(x′,y′)点处的包裹相位。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：根据相位的级次总数，把2π相位按级次总数均分，调制级次相位于周期边缘；

步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制级次相位到周期边缘的正弦条纹图案；

步骤C：投影仪投影生成的N幅条纹图案到待测物体表面，相机获取待测物体表面变形的正弦条纹图案；

步骤D：据N步相移法对相机获取的N幅正弦条纹图案求解均值强度、调制强度以及包裹相位；

步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用调制强度与邻域不同的特征，对调制强度使用边缘检测算法提取出所有周期边缘的边缘坐标；

步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到该像素最近的边缘坐标，使用该边缘坐标调制的级次相位确定该像素的条纹级次，逐个像素解包裹得到绝对相位；

步骤G：根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤B中，通过公式一表示所述正弦条纹图案；

其中I_n(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B₁是包裹相位调制强度，B₂是级次相位调制强度，B₂＝C*B₁，C是标准比例因子，

是包裹相位，

表示正弦条纹图案的边缘周期，

表示正弦条纹图案的非边缘周期。

3.根据权利要求2所述的一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤C中，通过公式二表示相机获取投射到物体表面的所述正弦条纹图案；

其中(x,y)代表着相机的图像像素坐标，I_n′表示采集的第n张条纹图像；A′是条纹图像的均值强度；B₁′是条纹图像包裹相位的调制强度；B₂′是条纹图像级次相位的调制强度。

4.根据权利要求3所述的一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤D中获取均值强度、调制强度以包裹相位的获取公式如下：

其中

是包裹相位，I_n′(x，y)为相机采集的第n张变形的正弦条纹图案，n的取值范围为[0,N-1]的整数，A′是正弦条纹图案的均值强度，B′为调制强度。

5.根据权利要求4所述的一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤E的具体过程如下：

根据周期边缘的调制强度与邻域的不同，获取调制强度与均值强度的比例获得比例因子，通过比例因子获取得到边缘坐标，其中获取比例因子的公式六与边缘坐标的公式七如下：

其中C′(x,y)为比例因子，C为标准比例因子，Median[.]是中值滤波函数，Mask_edge(x,y)是周期边缘的掩码，T是实现提取边缘区域的比例阈值，B′(x,y)为(x，y)处的调制强度，A′(x,y)为(x，y)处的正弦条纹图案的均值强度。

6.根据权利要求5所述的一种调制级次相位于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤E的具体过程如下：采用公式八获取得到包裹相位的每个像素对应最近的边缘坐标，通过边缘坐标以及调制的级次相位确定该像素的条纹级次，最后通过公式十与条纹级次获取该点像素的绝对相位；

(x′,y′)＝FindMin{Mask_edge(x_s,y_s)×Dis[(x_s,y_s),(x,y)]|(x_s,y_s)∈S}——公式八；

其中(x′,y′)为包裹相位像素中最近的边缘坐标，(x,y)为包裹相位像素的坐标，Dis[(),()]是计算两个点之间距离的函数，FindMin{.}是求得最小值处的坐标的函数,S是相机图像中横坐标小于x的所有像素点的集合，k(x,y)是(x,y)点处的条纹级次，φ(x,y)为(x,y)点处的绝对相位，

是(x′,y′)点处的包裹相位。

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