CN114234851B - 一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法 - Google Patents

一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提出一种调制二进制码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和二进制码的编码规则，将级次总数换算为二进制码，将二进制码调制于周期边缘；步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制二进制码于周期边缘的正弦条纹图案和一幅周期边缘定位图案；步骤C：投影仪投影生成的N幅正弦条纹图案和一幅周期边缘的定位图案到待测物体表面；步骤D：根据N步相移法对相机采集的N幅正弦条纹图案求解包裹相位和均值强度；步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案；步骤F：对于包裹相位的每个像素，将二进制码换算为十进制码，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

一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法
技术领域
本发明涉及三维测量技术领域，特别是一种调制二进制码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二进制码于周期边缘的三维测量方法，以解决空间相位展开精度低和时间相位展开速度慢的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种调制二进制码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和二进制码的编码规则，将级次总数换算为二进制码，将二进制码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制二进制码于周期边缘的正弦条纹图案和一幅周期边缘定位图案；
步骤C：投影仪投影生成的N幅正弦条纹图案和一幅周期边缘的定位图案到待测物体表面，相机采集待测物体表面变形的图案；
步骤D：根据N步相移法对相机采集的N幅正弦条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用周期边缘的灰度与邻域不同的特征，使用边缘提取算法提取所有的边缘坐标；
步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，计算该边缘坐标的边缘码值序列对应的二进制码，将二进制码换算为十进制码，确定该像素的条纹级次，逐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A中将级次总数换算为二进制码的规则如下：
对每个周期边缘的像素对应的值进行赋值，其中赋值的结果为0或255，每个周期边缘的像素对应的值组合形成边缘码值序列。
优选的，所述步骤B，分别按照公式一表示周期边缘的正弦条纹图案和使用公式二将二进制码调制于一幅周期边缘的定位图案；
Figure BDA0003422148030000031
Figure BDA0003422148030000032
其中In(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B是调制强度，
Figure BDA0003422148030000033
是包裹相位，mn(u,v)是边缘码值序列，边缘码值的取值为0或255，
Figure BDA0003422148030000034
表示正弦条纹图案的边缘周期，
Figure BDA0003422148030000035
表示正弦条纹图案的非边缘周期，2π为每一次从黑色变为白色的周期，n与N为自然整数，n的取值范围为[0，N-1]。
优选的，所述步骤C中相机采集待测物体表面变形的图案的步骤如下：
相机按照公式三采集表面变形的图案；
Figure BDA0003422148030000036
其中In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，
Figure BDA0003422148030000037
是(x,y)点处包裹相位，A′是均值强度，B′是调制强度，，mn′(x,y)是边缘码值序列，边缘码值序列的取值为0或255。
优选的，所述步骤D中，获取步骤C中表面变形的图案并带入到公式四以及公式五分别求解得出求解出物体表面变形的图案的包裹相位和均值强度；
Figure BDA0003422148030000038
Figure BDA0003422148030000041
其中，In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，2π为每一次从黑色变为白色的周期。
优选的，所述步骤E的具体步骤如下：通过所述周期边缘的定位图案的灰度值获取邻域比例因子以及周期边缘的掩码，将邻域比例因子以及周期边缘的掩码代入到边缘检测算法中提取所有边缘坐标；
其中通过公式六和公式七分别获取得到邻域比例因子以及周期边缘的掩码；
Figure BDA0003422148030000042
Figure BDA0003422148030000043
其中C′(x,y)是邻域比例因子；T是实现提取边缘区域的比例阈值，T＞1，I′n+1(x,y)是相机采集的周期边缘定位图像的灰度值，Median[.]是中值滤波函数，Maskedge(x,y)是周期边缘的掩码。
优选的，所述步骤F的具体步骤如下：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，通过边缘坐标以及公式九获取得到该边缘坐标的对应的二进制码，将二进制码转化为十进制码，通过公式十确认该点像素的条纹级次，最后通过公式十一与条纹级次获取该点像素的绝对相位；
其中(x′,y′)＝FindMin{Maskedge(xs,ys)×Dis[(xs,ys),(x,y)](xs,ys)∈S}——公式八；
Figure BDA0003422148030000044
Figure BDA0003422148030000051
Figure BDA0003422148030000052
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，In′(x′,y′)是最近边缘坐标对应的二进制码，A(x,y)表示(x，y)处的均值强度，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，
Figure BDA0003422148030000053
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：本发明提供的调制二进制码于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；由于调制二进制码于周期边缘，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，在调制二进制码于周期边缘的前提下，只需要基于周期边缘定位图像提取周期边缘和获取最近边缘码值序列对应的二进制码即可，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。
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，将二进制码转化为边缘码值再调制到周期边缘中，实现条纹级次的编码和解码，边缘码值都是0或255。对于每一个周期边缘，投影仪投影的N幅条纹图案组成了边缘码值序列，每个边缘码值序列对应一个二进制码；投影仪投影的一幅周期边缘定位图案，利用周期边缘定位图案中周期边缘的灰度与其邻域不同的特征，实现周期边缘坐标的提取。
生成调制二进制码于周期边缘的正弦条纹图案以及周期边缘定位图案的过程如下：
Figure BDA0003422148030000071
Figure BDA0003422148030000072
进一步，利用N步相移法对相机采集的N幅条纹图像求解包裹相位和均值强度；利用相机采集的周期边缘定位图像中周期边缘的灰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二进制码确定该像素的条纹级次，逐像素求解绝对相位。最后将绝对相位代入带现有的建立三维模型的现有算法中得到物体的三维模型。以上为本方法的理论基础。下面结合具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1～3所示，一种调制二进制码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和二进制码的编码规则，将级次总数换算为二进制码，将二进制码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制二进制码于周期边缘的正弦条纹图案和一幅周期边缘定位图案；
步骤C：投影仪投影生成的N幅正弦条纹图案和一幅周期边缘的定位图案到待测物体表面，相机采集待测物体表面变形的图案；
步骤D：根据N步相移法对相机采集的N幅正弦条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用周期边缘的灰度与邻域不同的特征，使用边缘提取算法提取所有的边缘坐标；
步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，计算该边缘坐标的边缘码值序列对应的二进制码，将二进制码换算为十进制码，确定该像素的条纹级次，逐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。
基于该编码方法，将调制二进制码融入到周期边缘中，根据N步相移法生成N幅调制的条纹图案，并设计一幅周期边缘定位图像用于检测周期边缘。本发明使用N步相移法对N幅条纹图像求解包裹相位和均值强度，基于周期边缘定位图像中周期边缘的灰度与邻域不同的特征，使用边缘检测算法提取所有边缘坐标；利用提取的边缘坐标，获得N幅条纹图像组成的边缘码值序列，利用均值强度的中值滤波结果将边缘码值序列二值化得到二进制码；对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，将二进制码换算为十进制码，确定该像素条纹级次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。
本发明提供的调制二进制码于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；由于调制二进制码于周期边缘，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，在调制二进制码于周期边缘的前提下，只需要基于周期边缘定位图像提取周期边缘和获取最近边缘码值序列对应的二进制码即可，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A中将级次总数换算为二进制码的规则如下：
对每个周期边缘的像素对应的值进行赋值，其中赋值的结果为0或255，每个周期边缘的像素对应的值组合形成边缘码值序列。
优选的，所述步骤B，分别按照公式一表示周期边缘的正弦条纹图案和使用公式二将二进制码调制于一幅周期边缘的定位图案；
Figure BDA0003422148030000091
Figure BDA0003422148030000092
其中In(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B是调制强度，
Figure BDA0003422148030000093
是包裹相位，mn(u,v)是边缘码值序列，边缘码值的取值为0或255，
Figure BDA0003422148030000094
表示正弦条纹图案的边缘周期，
Figure BDA0003422148030000095
表示正弦条纹图案的非边缘周期，2π为每一次从黑色变为白色的周期，n与N为自然整数，n的取值范围为[0，N-1]。
如此，本实施例通过上述公式一、公式二把二进制的调制到周期边缘的定位图案中，后续根据正弦条纹图案以及定位图案进行解码从而获得相机投影像素的对应关系。
优选的，所述步骤C中相机采集待测物体表面变形的图案的步骤如下：
相机按照公式三采集表面变形的图案；
Figure BDA0003422148030000096
其中In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，
Figure BDA0003422148030000097
是(x,y)点处包裹相位，A′是均值强度，B′是调制强度，mn′(x,y)是边缘码值序列，边缘码值序列的取值为0或255；
优选的，所述步骤D中，获取步骤C中表面变形的图案并带入到公式四以及公式五分别求解得出求解出物体表面变形的图案的包裹相位和均值强度；
Figure BDA0003422148030000101
Figure BDA0003422148030000102
其中，In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，2π为每一次从黑色变为白色的周期。
优选的，所述步骤E的具体步骤如下：通过所述周期边缘的定位图案的灰度值获取邻域比例因子以及周期边缘的掩码，将邻域比例因子以及周期边缘的掩码代入到边缘检测算法中提取所有边缘坐标；
其中通过公式六和公式七分别获取得到邻域比例因子以及周期边缘的掩码；
Figure BDA0003422148030000103
Figure BDA0003422148030000104
其中C′(x,y)是邻域比例因子；T是实现提取边缘区域的比例阈值，T＞1，I′n+1(x,y)是相机采集的周期边缘定位图像的灰度值，Median[.]是中值滤波函数，Maskedge(x,y)是周期边缘的掩码。
值得一提的是，步骤E中边缘提取算法为现有算法，通过邻域比例因子以及周期边缘的掩码代入到边缘提取算法中可获取得到目标的边缘坐标。
优选的，所述步骤F的具体步骤如下：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，通过边缘坐标以及公式九获取得到该边缘坐标的对应的二进制码，将二进制码转化为十进制码，通过公式十确认该点像素的条纹级次，最后通过公式十一与条纹级次获取该点像素的绝对相位；
其中(x′,y′)＝FindMin{Maskedge(xs,ys)×Dis[(xs,ys),(x,y)]|(xs,ys)∈S}——公式八；
Figure BDA0003422148030000111
Figure BDA0003422148030000112
Figure BDA0003422148030000113
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，In′(x′,y′)是最近边缘坐标对应的二进制码，A(x,y)表示(x，y)处的均值强度，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，
Figure BDA0003422148030000114
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 (7)

1.一种调制二进制码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和二进制码的编码规则，将级次总数换算为二进制码，将二进制码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法的要求生成N幅调制二进制码于周期边缘的正弦条纹图案和一幅周期边缘定位图案；
步骤C：投影仪投影生成的N幅正弦条纹图案和一幅周期边缘的定位图案到待测物体表面，相机采集待测物体表面变形的图案；
步骤D：根据N步相移法对相机采集的N幅正弦条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据相机采集的周期边缘定位图案，利用周期边缘的灰度与邻域不同的特征，使用边缘提取算法提取所有的边缘坐标；
步骤F：对于包裹相位的每个像素，找到最近的边缘坐标，计算该边缘坐标的边缘码值序列对应的二进制码，将二进制码换算为十进制码，确定该像素的条纹级次，逐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所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤A中将级次总数换算为二进制码的规则如下：
对每个周期边缘的像素对应的值进行赋值，其中赋值的结果为0或255，每个周期边缘的像素对应的值组合形成边缘码值序列。
3.根据权利要求2所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤B，分别按照公式一表示周期边缘的正弦条纹图案和使用公式二将二进制码调制于一幅周期边缘的定位图案；
Figure FDA0003422148020000021
Figure FDA0003422148020000022
其中In(u,v)表示投影的第n张正弦条纹图案，A是均值强度，B是调制强度，
Figure FDA0003422148020000023
是包裹相位，mn(u,v)是边缘码值序列，边缘码值的取值为0或255，
Figure FDA0003422148020000024
表示正弦条纹图案的边缘周期，
Figure FDA0003422148020000025
表示正弦条纹图案的非边缘周期，2π为每一次从黑色变为白色的周期，n与N为自然整数，n的取值范围为[0，N-1]。
4.根据权利要求3所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤C中相机采集待测物体表面变形的图案的步骤如下：
相机按照公式三采集表面变形的图案；
Figure FDA0003422148020000026
其中In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，
Figure FDA0003422148020000027
是(x,y)点处包裹相位，A′是均值强度，B′是调制强度，mn′(x,y)是边缘码值序列，边缘码值序列的取值为0或255。
5.根据权利要求4所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤D中，获取步骤C中表面变形的图案并带入到公式四以及公式五分别求解得出求解出物体表面变形的图案的包裹相位和均值强度；
Figure FDA0003422148020000028
Figure FDA0003422148020000031
其中，In′(x,y)为相机采集的第n张变形的图案，2π为每一次从黑色变为白色的周期。
6.根据权利要求5所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤E的具体步骤如下：通过所述周期边缘的定位图案的灰度值获取邻域比例因子以及周期边缘的掩码，将邻域比例因子以及周期边缘的掩码代入到边缘检测算法中提取所有边缘坐标；
其中通过公式六和公式七分别获取得到邻域比例因子以及周期边缘的掩码；
Figure FDA0003422148020000032
Figure FDA0003422148020000033
其中C′(x,y)是邻域比例因子；T是实现提取边缘区域的比例阈值，T＞1，I′n+1(x,y)是相机采集的周期边缘定位图像的灰度值，Median[.]是中值滤波函数，Maskedge(x,y)是周期边缘的掩码。
7.根据权利要求6所述的一种调制二进制码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，所述步骤F的具体步骤如下：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，通过边缘坐标以及公式九获取得到该边缘坐标的对应的二进制码，将二进制码转化为十进制码，通过公式十确认该点像素的条纹级次，最后通过公式十一与条纹级次获取该点像素的绝对相位；
其中(x′,y′)＝FindMin{Maskedge(xs,ys)×Dis[(xs,ys),(x,y)]|(xs,ys)∈S}——公式八；
Figure FDA0003422148020000041
Figure FDA0003422148020000042
Figure FDA0003422148020000043
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，In′(x′,y′)是最近边缘坐标对应的二进制码，A(x,y)表示(x，y)处的均值强度，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，
Figure FDA0003422148020000044
是(x,y)点处的包裹相位。
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