CN114279356B - 一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法 - Google Patents

一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，通过参考正弦格雷码等用于实际三维测量的灰度条纹图案，对2幅以上的黑白二值条纹进行编码，使编码的个别黑白条纹在参与一系列运算后所组成的图案与所参考的图案一致。由于采用的二值条纹不受非线性影响，所以不需要提前对投影设备进行非线性校正。与传统的条纹测量方法相比，使用黑白条纹来构造灰度条纹过程无需进行离焦操作，设备无需具有离焦功能，受硬件限制小；不会带来降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的影响；且所需投影的编码条纹图数量减少，大大提升了重建帧率。

Description

一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，更具体地说，涉及一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法。
背景技术
光学三维测量技术在现代测量中具有重要的意义。在众多三维测量技术中，条纹投影轮廓术具有结构简单、精度高、速度快、成本低、易实现等优点,其在工业和科学研究领域都有较广泛的应用。由于市面上常见的投影仪存在gamma效应，如不校正数字投影仪和相机存在gamma非线性效应，会给测量结果带入非线性误差，因此为了使用条纹投影和相移法进行高精度的三维面形测量，投影仪gamma校正通常是必要的。虽然通过二值离焦技术进行三维测量会减少相位误差，但同时也会较低条纹的对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的错误。
同时，传统的正弦条纹需要8位，投影速度受到投影仪最大帧率限制，为了获得更高的测量精度常常需要投影更多的条纹图案去辅助相位展开，不利于高动态场景测量。
发明内容
为了解决上述的问题,本发明提出的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，不会造成因离焦操作带来的降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的问题，其技术方案如下：
一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，包括以下步骤：
步骤一：采用投影仪投影灰度条纹，分析实际测量中使用的灰度条纹图案一个周期内的光强变化，将实际测量中使用的灰度条纹图案作为参考的标准图案，对2幅以上的黑白二值条纹进行编码；
步骤二：设计一致化模型使编码的黑白二值条纹在运算处理后所组成的图案与参考的标准图案一致；
步骤三：分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹宽度以及相机采集图像数据的距离进行调整，调整至投影图案的横向距离完全被相机采集到；
步骤四：采用步骤一的黑白二值条纹投射被测物体，采集投影到被测物体表面的二值编码条纹，提取采集图像的各列条纹；
步骤五：通过步骤二中设计的一致化模型将步骤四提取的黑白条纹重新构造为灰度图像。
进一步地，在上述步骤一中，灰度条纹图案包括正弦条纹图案、余弦条纹图案、格雷码图案中任一种灰度条纹图案。
进一步地，在上述步骤一中，编码后的所有黑白条纹图案中的同一列都至少包含一列单独的黑条纹和白条纹。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其上述步骤一中，灰度条纹图案为正弦条纹图案，黑白二值条纹图案数量为2幅，为图案一和图案二，其相互互补。
用于构造正弦条纹的2幅黑白二值条纹图案中，图案一每列条纹对应的系数an，图案二每列条纹对应的系数bn为：
其中下标n为条纹所在列数。
在本发明的另外一个实施例中，
步骤一中，灰度条纹图案为格雷码条纹图案，黑白二值条纹图案数量为2幅，为图案一和图案二，其相互互补。
用于构造格雷码条纹的2幅互补二值条纹，图案一每列条纹对应的系数an，图案二每列条纹对应的系数bn为：
其中下标n为条纹所在列数。
优选地，在本发明方法的步骤四中，采集图像的横向分辨率可描述为：
其中，Wc为采集图像的横向分辨率，Wp为投影仪横向分辨率，W为二值条纹的单位像素宽度。
优选地，在上述步骤五中，重新构造的图像样式与参考的灰度图像样式一致。
本发明基于所提出的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，不会造成因离焦操作带来的降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的问题。同时，仅采用较少幅黑白二值编码条纹来构造其他所有用于三维测量的灰度条纹，无需投影更多图案，大大提升三维重建帧率。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例所提出的二值编码条纹图。
图3为本发明实施例所提出的一个周期二值编码图像运算获取正弦条纹和格雷码条纹图像原理图。
图4为本发明实施例所提出的采集图像横向分辨率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，图中显示了本实施例的原理图，本实施例提出一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，该方法采用二值编码构造灰度条纹图像的策略，利用二值条纹进行三维测量可以避免结构光系统非线性的好处，同时只需较少幅图像即可构造任意幅灰度图案。参考实际测量的灰度图案，分析图案一个周期内的光强变化，对若干幅黑白二值条纹进行编码，提取编码图案中的个别黑白条纹，在一系列运算后所组成的图案与参考图案基本一致。考虑到运算所构成的图案进行数据运算，很可能造成计算出的数据呈现离散的现象，所以分析相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹以及相机采集图像数据的距离进行调整，确保每个所得的像素的数据具有唯一性。基于所提出的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，不会造成因离焦操作带来的降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的问题。同时，仅采用较少幅黑白二值编码条纹来构造其他所有用于三维测量的灰度条纹，无需投影更多图案，大大提升三维重建帧率。本方法包括以下4个步骤。
步骤一：参考标准的正弦条纹和格雷码条纹等灰度条纹，本实施例以单周期正弦条纹和格雷码条纹图案为例，且一个周期内包含16列条纹。
步骤二：用若干幅二值编码条纹图案来构成类似于正弦条纹和格雷码条纹的图案：
如图2，本实施例利用2幅互补的二值条纹图案来获取正弦条纹和格雷码条纹图案。利用黑色光强为0，白色光强为255，叠加来获取其他任意灰度值光强。
所有黑白二值编码条纹的同一列至少需要一列单独的黑白条纹来进行叠加运算，以区分每单位条纹宽度的边界，因此至少需要两幅互补的二值编码条纹。
步骤三：设计算法使编码的个别黑白条纹在运算处理后所组成的图案与参考的图案一致。如图3所示一致化模型TR算法来构造图案：
TR(Pinput)＝Poutput。
Pinput包括至少两个黑白二值条纹，Poutput为参考的灰度条纹图案。
图2中，GLn＝an*Lan+bn*Lbn，其中，an，bn为二值条纹的每列条纹前的系数，GLn为灰度条纹的第n列灰度值，GLan为二值条纹一第n列的灰度值，同理对于多个二值条纹(a，b，c，d……)，GLn＝an*Lan+bn*Lbn+cn*Lcn+dn*Ldn+……。
本实施例中用于构造正弦条纹的两幅互补二值条纹图中每列条纹前的系数an，bn为：
其中下标n为条纹所在列数。用于格雷码条纹的两幅互补二值条纹图中每列条纹前的系数an，bn为：
其中下标n为条纹所在列数。
步骤四：同时使得每一个像素内计算出来的数据唯一，采集图像的横向分辨率可描述为：
其中，Wc为采集图像的横向分辨率，Wp为投影仪横向分辨率，W为二值条纹的单位像素宽度。
图4所示，本实例中生成投影仪横向分辨率为2048像素，设计投影的条纹单位像素宽度为2像素，所以相机采集图像的横向分辨率应小于2048/2即1024像素。
步骤五：对于相机采集图像数据的距离进行调整，需要投影图案的横向距离完全被相机采集到。
步骤六：投影并采集2幅互补的二值条纹图案，提取每一列条纹，上述设计算法运算重新构造与参考的灰度图像样式一致的图像，将构造的图像应用于实际三维测量运算中。
步骤七：基于上述步骤，即所提出的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，不需要提前对投影设备进行非线性校正，无需设备具有离焦功能，受硬件限制小。且由于无需进行离焦操作，不会造成因离焦操作带来的降低条纹对比度以及加重解相时条纹边沿跳变的问题。同时，仅采用较少幅黑白二值编码条纹来构造其他所有用于三维测量的灰度条纹，无需投影更多图案，大大提升三维重建帧率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用投影仪投影灰度条纹，分析实际测量中使用的灰度条纹图案一个周期内的光强变化，将实际测量中使用的灰度条纹图案作为参考的标准图案，对2幅以上的黑白二值条纹进行编码；
步骤二：设计一致化模型使编码的黑白二值条纹在运算处理后所组成的图案与参考的标准图案一致；
步骤三：根据相机采集的图像数据分辨率与投影仪投影图案的分辨率之间的关系，对编码的条纹宽度以及采集图像数据的相机距离进行调整，调整至投影图案的横向距离完全被相机采集到；
步骤四：采用步骤一的黑白二值条纹投射被测物体，采集投影到被测物体表面的二值编码条纹，提取采集图像的各列条纹；
步骤五：通过步骤二中设计的一致化模型将步骤四提取的黑白条纹重新构造为灰度图像。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：步骤一中，灰度条纹图案包括正弦条纹图案、余弦条纹图案、格雷码图案中任一种灰度条纹图案。
3.根据权利要求2所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：步骤一中，编码后的所有黑白条纹图案中的同一列都至少包含一列单独的黑条纹和白条纹。
4.根据权利要求2所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：步骤一中，灰度条纹图案为正弦条纹图案，黑白二值条纹图案数量为2幅，为图案一和图案二，其相互互补。
5.根据权利要求4所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：用于构造正弦条纹的2幅黑白二值条纹图案中，图案一每列条纹对应的系数an，图案二每列条纹对应的系数bn为：
；
其中下标n为条纹所在列数。
6.根据权利要求2所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：步骤一中，灰度条纹图案为格雷码条纹图案，黑白二值条纹图案数量为2幅，为图案一和图案二，其相互互补。
7.根据权利要求2所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于：用于构造格雷码条纹的2幅互补二值条纹图中，图案一每列条纹对应的系数an，图案二每列条纹对应的系数bn为：
；
其中下标n为条纹所在列数。
8.根据权利要求5或7所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于步骤四中，采集图像的横向分辨率可描述为：
；
其中，Wc为采集图像的横向分辨率，Wp为投影仪横向分辨率，W为二值条纹的单位像素宽度。
9.根据权利要求8所述的一种用于三维测量的灰度条纹图案设计方法，其特征在于步骤五中，重新构造的图像样式与参考的灰度图像样式一致。
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