CN114252026A - 调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统 - Google Patents

调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统，所述方法包括：步骤A：根据相位级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；步骤B：根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的条纹图案；步骤C：投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；步骤D：根据N步相移法对N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；步骤E：根据均值强度与邻域不同的特征，对均值强度提取所有的边缘坐标；步骤F：利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，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。

Description

调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统
技术领域
本发明涉及光学三维测量技术领域，尤其涉及一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统。
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
本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统，通过周期边缘坐标的提取和左右边缘三维编码的解算确定各个像素的条纹级次，逐像素求解绝对相位，实现少量图案完成三维测量。该方法投影的条纹图案幅数少，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，是相移编码法投影幅数的一半，具有解相速度快、点云重建效率高的优势。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，包括如下步骤：
步骤A：根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
步骤C：投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
步骤D：根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
步骤F：利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，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，在所述步骤A中，包括：
所投影的N幅条纹图案中，每个周期边缘的像素对应有N个值，每个值为0或255，从N个值中确定离群值,；
根据离群值确定周期边缘码值序列的类型，离群值在周期边缘码值序列中的位置即为离群值序号。
优选的，当离群值为0时，所在周期边缘的类型为1型，当离群值为1时，所在周期边缘的类型为0型；
固定相邻的周期边缘码值序列为不同，则像素的左右两个周期边缘的组合类型为0型和1型，或1型和0型；
其中，1型的离群值序号用于表示在周期边缘码值序列中的位置，共N种；
0型的离群值序号用于表示进制，对应有N进制；
N种离群值序号对应进行了N次N进制，即N2，则三维编码的组成方式将周期边缘分成了2N2种类型。
优选的，在所述步骤B中，根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案，包括：
根据公式一至公式五依次表示所投影的条纹图案、条纹级次、周期边缘码值序列的类型、离群值序号和周期边缘码值；
Figure BDA0003422161090000031
Figure BDA0003422161090000032
D(u,v)＝mod[k(u,v),2]--公式三；
Figure BDA0003422161090000033
Figure BDA0003422161090000034
其中：
In表示在所生成的正弦条纹图案中，投影的第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1；
(u,v)表示投影的图案的像素坐标，u为横坐标，v为纵坐标；
Figure BDA0003422161090000041
表示包裹相位；
A表示均值强度；
B表示调制强度；
N表示投影的图案数量总数；
mn表示周期边缘码值序列，有0或255的数值组成，n表示周期边缘码值在序列中的排号；
k(u,v)表示(u,v)下对应的条纹级次；
Figure BDA0003422161090000042
表示向下取整函数，u表示横坐标，p表示单周期的条纹的像素数量；
O(u,v)表示周期边缘码值序列的离群值序号；
D(u,v)表示周期边缘码值序列的类型；
mn(u,v)表示周期边缘码值。
优选的，在所述步骤C中，包括利用投影仪投影投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，利用相机采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
用公式六表示相机采集的条纹图案；
Figure BDA0003422161090000043
其中：
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
A′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的均值强度；
B′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的调制强度；
Figure BDA0003422161090000051
表示包裹相位；
mn′表示所采集的条纹图案的周期边缘码值序列，n表示周期边缘码值在序列中的排号。
优选的，在所述步骤D中，包括使用公式七求解包裹相位，使用公式八求解均值强度；
Figure BDA0003422161090000052
其中：
Figure BDA0003422161090000053
表示包裹相位；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标。
优选的，在所述步骤D中，包括使用公式八求解均值强度；
Figure BDA0003422161090000054
其中：
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
A′(x,y)表示均值强度。
优选的，在所述步骤E中，包括使用公式九和公式十提取所有的边缘坐标；
Figure BDA0003422161090000061
Figure BDA0003422161090000062
其中：
C(x,y)表示邻域比例因子；
A′(x,y)表示均值强度；
Median[.]表示中值滤波函数；
Maskedge(x,y)表示周期边缘的掩码；
T表示实现提取边缘区域的比例阈值。
优选的，在所述步骤F中，利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位，包括：
步骤F1：根据公式十一和公式十二依次解码周期边缘码值序列的类型以及离群值序号；
D′(xe,ye)＝C(xe,ye)>1(xe,ye)∈{Maskedge(x,y)＝1}--公式十一；
Figure BDA0003422161090000063
其中：
D′(xe,ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型；
(xe,ye)表示周期边缘坐标；
C(xe,ye)表示邻域比例因子；
Maskedge(x,y)表示周期边缘的掩码；
O′(xe,ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
FindMax[.]表示返回最大值索引的函数；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
步骤F2：根据公式十三和公式十四获取每个像素点的左右两个最近边缘坐标，将两个边缘坐标对应的三维码值换算成十进制码，确定当前像素的条纹级次；
xl＝Findmin[x-xs]xs∈{Maskedge(xs,y)＝1,xs<x}--公式十三；
xr＝Findmin[xs-x]xs∈{Maskedge(xs,y)＝1,xs>x}--公式十四；
其中：
xl表示点(x,y)在条纹图案左侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
xr表示点(x,y)在条纹图案右侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
xs表示周期边缘的掩码Maskedge(x,y)中坐标图像中某一点的像素坐标，即在坐标图像中找到最近的两条边缘，边缘的坐标即为xs；
步骤F3：根据左右边缘的三维编码计算十进制码，基于公式十五确定各像素的条纹级次，基于公式十六逐像素解包裹得到绝对相位；
Figure BDA0003422161090000071
Figure BDA0003422161090000081
其中：
k(x,y)表示点(x,y)计算得到的条纹级次；
Figure BDA0003422161090000082
表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure BDA0003422161090000083
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000084
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure BDA0003422161090000085
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000086
表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure BDA0003422161090000087
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000088
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure BDA0003422161090000089
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
mod[.]表示求余函数；
Figure BDA00034221610900000810
表示点(x,y)的绝对相位；
Figure BDA00034221610900000811
表示点(x,y)的包裹相位。
一种调制三维编码于周期边缘的三维测量系统，应用有任一项所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，所述系统包括：
第一模块，用于根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
第二模块，用于根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
第三模块，用于投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
第四模块，用于根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
第五模块，用于根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
第六模块，用于利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位；
第七模块，用于根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。
本发明的技术方案所实现的技术效果：
本发明通过周期边缘坐标的提取和左右边缘三维编码的解算确定各个像素的条纹级次，逐像素求解绝对相位，实现少量图案完成三维测量。该方法投影的条纹图案幅数少，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，是相移编码法投影幅数的一半，具有解相速度快、点云重建效率高的优势。
附图说明
图1是本发明其中一个实施例的调制三维编码于周期边缘的结构光三维测量方法的流程示意图；
图2是本发明其中一个实施例的演变示意图；
图3是本发明其中一个实施例的编码示意图；
图4是本发明其中一个实施例的调制三维编码于周期边缘的结构光三维测量系统的框架图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，基于该编码方法，将调制三维编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。本发明使用N步相移法求解包裹相位和均值强度。基于周期边缘的均值强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，获得每个周期边缘由N幅条纹图像组成的三维编码；对于包裹相位的每个像素，利用左右边缘的三维编码，计算该像素的条纹级次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。
具体的，如图1至图3所示，一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，包括如下步骤：
步骤A：根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
步骤C：投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
步骤D：根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
步骤F：利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，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，在所述步骤A中，包括：
所投影的N幅条纹图案中，每个周期边缘的像素对应有N个值，每个值为0或255，从N个值中确定离群值,；
根据离群值确定周期边缘码值序列的类型，离群值在周期边缘码值序列中的位置即为离群值序号。
优选的，当离群值为0时，所在周期边缘的类型为1型，当离群值为1时，所在周期边缘的类型为0型；
固定相邻的周期边缘码值序列为不同，则像素的左右两个周期边缘的组合类型为0型和1型，或1型和0型；
其中，1型的离群值序号用于表示在周期边缘码值序列中的位置，共N种；
0型的离群值序号用于表示进制，对应有N进制；
N种离群值序号对应进行了N次N进制，即N2，则三维编码的组成方式将周期边缘分成了2N2种类型。
在本实施例中，具体地，所述步骤A中，将级次总数转化为三维编码，调制三维编码于周期边缘。调制三维编码于周期边缘的规则如下：由于投影N幅条纹图案，每个周期边缘的像素对应有N个值，每个值可以为0或255。其中有1个特殊的码值和其余的N-1个码值是不同的，这个特殊的码值，本发明中称之为离群值，该码值决定了序列的类型，同时它在序列中的位置即是离群值序号，如果离群值为0，则该边为1型，如果离群值为1，则该边为0型。本申请设计相邻的边缘码值序列的类型是不同的，像素的左右两个边缘组合类型可能是0型和1型或1型和0型，一共有2种，其中1型的离群值序号用于表示其在序列中的位置，一共有N种；0型的离群值序号用于进制，对应于N进制，离群值序号有N种，对应于进行了N次N进制，即N2。三维编码的组成方式把周期边缘分成了2N2种类型。
优选的，在所述步骤B中，根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案，包括：
根据公式一至公式五依次表示所投影的条纹图案、条纹级次、周期边缘码值序列的类型、离群值序号和周期边缘码值；
Figure BDA0003422161090000121
Figure BDA0003422161090000122
D(u,v)＝mod[k(u,v),2]--公式三；
Figure BDA0003422161090000123
Figure BDA0003422161090000124
其中：
In表示在所生成的正弦条纹图案中，投影的第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1；
(u,v)表示投影的图案的像素坐标，u为横坐标，v为纵坐标；
Figure BDA0003422161090000125
表示包裹相位；
A表示均值强度；
B表示调制强度；
N表示投影的图案数量总数；
mn表示周期边缘码值序列，有0或255的数值组成，n表示周期边缘码值在序列中的排号；
k(u,v)表示(u,v)下对应的条纹级次；
Figure BDA0003422161090000131
表示向下取整函数，u表示横坐标，p表示单周期的条纹的像素数量；
周期边缘码值序列有两个特征，一是离群值序号，二是序列类型；
O(u,v)表示周期边缘码值序列的离群值序号；
D(u,v)表示周期边缘码值序列的类型；
mn(u,v)表示周期边缘码值。
优选的，在所述步骤C中，包括利用投影仪投影投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，利用相机采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
用公式六表示相机采集的条纹图案；
Figure BDA0003422161090000132
其中：
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
A′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的均值强度；
B′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的调制强度；
Figure BDA0003422161090000133
表示包裹相位；
mn′表示所采集的条纹图案的周期边缘码值序列，n表示周期边缘码值在序列中的排号。
优选的，在所述步骤D中，包括使用公式七求解包裹相位，使用公式八求解均值强度；
Figure BDA0003422161090000141
其中：
Figure BDA0003422161090000142
表示包裹相位；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标。
优选的，在所述步骤D中，包括使用公式八求解均值强度；
Figure BDA0003422161090000143
其中：
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
A′(x,y)表示均值强度。
优选的，在所述步骤E中，包括使用公式九和公式十提取所有的边缘坐标；
Figure BDA0003422161090000144
Figure BDA0003422161090000145
其中：
C(x,y)表示邻域比例因子；
A′(x,y)表示均值强度；
Median[.]表示中值滤波函数；
Maskedge(x,y)表示周期边缘的掩码；
T表示实现提取边缘区域的比例阈值。
优选的，在所述步骤F中，利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位，包括：
步骤F1：根据公式十一和公式十二依次解码周期边缘码值序列的类型以及离群值序号；
D′(xe,ye)＝C(xe,ye)>1(xe,ye)∈{Maskedge(x,y)＝1}--公式十一；
Figure BDA0003422161090000151
其中：
D′(xe,ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型；
(xe,ye)表示周期边缘坐标；
C(xe,ye)表示邻域比例因子；
Maskedge(x,y)表示周期边缘的掩码；
O′(xe,ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
FindMax[.]表示返回最大值索引的函数；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
步骤F2：根据公式十三和公式十四获取每个像素点的左右两个最近边缘坐标，将两个边缘坐标对应的三维码值换算成十进制码，确定当前像素的条纹级次；
xl＝Findmin[x-xs]xs∈{Maskedge(xs,y)＝1,xs<x}--公式十三；
xr＝Findmin[xs-x]xs∈{Maskedge(xs,y)＝1,xs>x}--公式十四；
其中：
xl表示点(x,y)在条纹图案左侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
xr表示点(x,y)在条纹图案右侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
xs表示周期边缘的掩码Maskedge(x,y)中坐标图像中某一点的像素坐标，即在坐标图像中找到最近的两条边缘，边缘的坐标即为xs；
步骤F3：根据左右边缘的三维编码计算十进制码，基于公式十五确定各像素的条纹级次，基于公式十六逐像素解包裹得到绝对相位；
Figure BDA0003422161090000161
Figure BDA0003422161090000162
其中：
k(x,y)表示点(x,y)计算得到的条纹级次；
Figure BDA0003422161090000163
表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure BDA0003422161090000164
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000171
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure BDA0003422161090000172
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000173
表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure BDA0003422161090000174
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure BDA0003422161090000175
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure BDA0003422161090000176
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
mod[.]表示求余函数；
Figure BDA0003422161090000177
表示点(x,y)的绝对相位；
Figure BDA0003422161090000178
表示点(x,y)的包裹相位。
一种调制三维编码于周期边缘的三维测量系统，应用有任一项所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，如图4所示，所述系统包括：
第一模块，用于根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
第二模块，用于根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
第三模块，用于投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
第四模块，用于根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
第五模块，用于根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
第六模块，用于利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位；
第七模块，用于根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。
本发明提供的一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法及系统，无需投影大量的正弦条纹图案，相比传统的时间相位展开方法能够减少投影时间和解算时间；由于调制的三维编码融入到每个周期相位的边缘，相比传统的空间相位展开方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，在调制三维编码于周期边缘的前提下，只需要提取相位的周期边缘和解算相邻边缘的三维编码对应的条纹级次即可，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。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
步骤B：根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
步骤C：投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
步骤D：根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
步骤E：根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
步骤F：利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，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所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤A中，包括：
所投影的N幅条纹图案中，每个周期边缘的像素对应有N个值，每个值为0或255，从N个值中确定离群值,；
根据离群值确定周期边缘码值序列的类型，离群值在周期边缘码值序列中的位置即为离群值序号。
3.根据权利要求2所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
当离群值为0时，所在周期边缘的类型为1型，当离群值为1时，所在周期边缘的类型为0型；
固定相邻的周期边缘码值序列为不同，则像素的左右两个周期边缘的组合类型为0型和1型，或1型和0型；
其中，1型的离群值序号用于表示在周期边缘码值序列中的位置，共N种；
0型的离群值序号用于表示进制，对应有N进制；
N种离群值序号对应进行了N次N进制，即N2，则三维编码的组成方式将周期边缘分成了2N2种类型。
4.根据权利要求1所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤B中，根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案，包括：
根据公式一至公式五依次表示所投影的条纹图案、条纹级次、周期边缘码值序列的类型、离群值序号和周期边缘码值；
Figure FDA0003422161080000021
Figure FDA0003422161080000022
D(u,v)＝mod[k(u,v),2]--公式三；
Figure FDA0003422161080000023
Figure FDA0003422161080000024
其中：
In表示在所生成的正弦条纹图案中，投影的第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1；
(u,v)表示投影的图案的像素坐标，u为横坐标，v为纵坐标；
Figure FDA0003422161080000031
表示包裹相位；
A表示均值强度；
B表示调制强度；
N表示投影的图案数量总数；
mn表示周期边缘码值序列，有0或255的数值组成，n表示周期边缘码值在序列中的排号；
k(u,v)表示(u,v)下对应的条纹级次；
Figure FDA0003422161080000032
表示向下取整函数，u表示横坐标，p表示单周期的条纹的像素数量；
O(u,v)表示周期边缘码值序列的离群值序号；
D(u,v)表示周期边缘码值序列的类型；
mn(u,v)表示周期边缘码值。
5.根据权利要求1所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤C中，包括利用投影仪投影投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，利用相机采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
用公式六表示相机采集的条纹图案；
Figure FDA0003422161080000033
其中：
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
A′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的均值强度；
B′表示在所采集的条纹图案中，条纹图案的调制强度；
Figure FDA0003422161080000041
表示包裹相位；
mn′表示所采集的条纹图案的周期边缘码值序列，n表示周期边缘码值在序列中的排号。
6.根据权利要求1所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤D中，包括使用公式七求解包裹相位，使用公式八求解均值强度；
Figure FDA0003422161080000042
其中：
Figure FDA0003422161080000043
表示包裹相位；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标。
7.根据权利要求6所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤D中，包括使用公式八求解均值强度；
Figure FDA0003422161080000051
其中：
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
(x,y)表示采集的图像像素坐标；
A′(x,y)表示均值强度。
8.根据权利要求1所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤E中，包括使用公式九和公式十提取所有的边缘坐标；
Figure FDA0003422161080000052
Figure FDA0003422161080000053
其中：
C(x,y)表示邻域比例因子；
A′(x,y)表示均值强度；
Median[.]表示中值滤波函数；
Maskedge(x,y)表示周期边缘的掩码；
T表示实现提取边缘区域的比例阈值。
9.根据权利要求1所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，其特征在于：
在所述步骤F中，利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位，包括：
步骤F1：根据公式十一和公式十二依次解码周期边缘码值序列的类型以及离群值序号；
D′(xe，ye)＝C(xe，ye)＞1 (xe，ye)∈{Maskedge(x，y)＝1}--公式十一；
Figure FDA0003422161080000061
其中：
D′(xe，ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型；
(xe，ye)表示周期边缘坐标；
C(xe，ye)表示邻域比例因子；
Maskedge(x，y)表示周期边缘的掩码；
O′(xe，ye)表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
FindMax[.]表示返回最大值索引的函数；
In′表示在所采集的条纹图案中，第n张条纹图案，n＝0，1，2，3，...N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
步骤F2：根据公式十三和公式十四获取每个像素点的左右两个最近边缘坐标，将两个边缘坐标对应的三维码值换算成十进制码，确定当前像素的条纹级次；
xl＝Findmin[x-xs] xs∈{Maskedge(xs，y)＝1，xs＜x}--公式十三；
xr＝Findmin[xs-x] xs∈{Maskedge(xs，y)＝1，xs＞x}--公式十四；
其中：
xl表示点(x，y)在条纹图案左侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
xr表示点(x,y)在条纹图案右侧的最近边缘坐标，x表示横坐标，y表示纵坐标；
FindMin[.]表示返回最小值索引的函数；
xs表示周期边缘的掩码Maskedge(x,y)中坐标图像中某一点的像素坐标，即在坐标图像中找到最近的两条边缘，边缘的坐标即为xs；
步骤F3：根据左右边缘的三维编码计算十进制码，基于公式十五确定各像素的条纹级次，基于公式十六逐像素解包裹得到绝对相位；
Figure FDA0003422161080000071
Figure FDA0003422161080000072
其中：
k(x,y)表示点(x,y)计算得到的条纹级次；
Figure FDA0003422161080000073
表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure FDA0003422161080000074
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure FDA0003422161080000075
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的离群值序号，
Figure FDA0003422161080000076
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure FDA0003422161080000077
表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure FDA0003422161080000078
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案左侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
Figure FDA0003422161080000081
表示表示条纹图案的周期边缘码值序列的类型，
Figure FDA0003422161080000082
表示点(x,y)在第n张所采集的条纹图案右侧的最近边缘坐标，n＝0,1,2,3,…N-1，N表示所采集的条纹图案的总数；
mod[.]表示求余函数；
Figure FDA0003422161080000083
表示点(x,y)的绝对相位；
Figure FDA0003422161080000084
表示点(x,y)的包裹相位。
10.一种调制三维编码于周期边缘的三维测量系统，其特征在于：应用有任一项如权利要求1-9所述一种调制三维编码于周期边缘的三维测量方法，所述系统包括：
第一模块，用于根据相位的级次总数和三维编码的组成规则，将级次总数转化为三维编码，将三维编码调制于周期边缘；
第二模块，用于根据N步相移法生成N幅调制三维编码于周期边缘的正弦条纹图案；
第三模块，用于投影生成N幅条纹图案到待测物体表面，采集待测物体表面变形的N幅条纹图案；
第四模块，用于根据N步相移法对所采集的N幅条纹图案求解包裹相位和均值强度；
第五模块，用于根据周期边缘的均值强度与邻域不同的特征，对均值强度使用边缘提取法提取所有的边缘坐标；
第六模块，用于利用左右边缘的三维编码，确定包裹相位的每个像素的条纹级次，逐像素解包裹得到绝对相位；
第七模块，用于根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。
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