CN114322845B - 投射激光阵列图像的系统及利用其进行三维重建的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种投射激光阵列图像的系统及三维重建方法，系统包括上位机、投影仪和至少三个相机；所述上位机用于生成投影图像、并将图像发送到投影仪；所述投影图像包括一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，激光阵列图像中的激光条个数与单幅N步相移图像中正弦条纹的周期数一致；各个激光条分别位于正弦条纹的二分之一周期处；利用系统进行三维重建的方法，包括利用三部相机中采集激光阵列图像，利用激光阵列图像中点的对应关系，标记各个激光条的编号，通过激光条的编号为相移图像匹配相位周期，进而进行相位展开、解算绝对相位，完成三维重建；具有快速、准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及三维测量领域，具体涉及一种投射激光阵列图像的系统及三维重建方法。
背景技术
近年来，随着制造业和人工智能的飞速发展，三维扫描技术被广泛应用于汽车制造检测、轨道交通测量、逆向工程、3D打印、无序抓取等工业领域，目前，被广泛应用的三维扫描技术主要有以下三种：(1)基于散斑的面结构光三维扫描技术；(2)基于多线激光的线结构光三维扫描技术；(3)基于N步相移的面结构光三维扫描技术。
其中，基于N步相移的面结构光三维扫描技术，因其精度高，在工业领域一直占据着主导地位，其技术原理为：使用DLP投影仪投射一组具有特定编码的结构光图案，通过一个或多个工业相机对投影到物体表面的一组图像进行采集；对采集的图像、利用解相位算法计算出每个像素的绝对相位值，根据已标定的相机和DLP的光学模型参数，计算出被测物体的三维信息；在此过程中，现有的解相位算法，为了满足计算鲁棒性的要求，需要在被测物表面投射多幅相移图像，如四步相移格雷码方法需要投影8幅格雷码图像加四步相移图像，一共12幅图像；多频外差法需要投影12幅图像(三种频率的四步相移图像)，为此，现有的N步相移三维重建方法，存在：单次测量的投影图片数量过多，投影和相机采图时间长的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种投射激光阵列图像的系统及三维重建方法，所述系统仅需投射一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，相比于现有系统，本系统减少了投影图像数量，降低了测量时间，更加满足高节拍检测需求；所述三维重建的方法，通过激光阵列图像中各个激光条的编号，为相移图像匹配相位周期，进而进行相位展开、解算绝对相位，完成三维重建；具有快速、准确的特点。
技术方案如下：
一种投射激光阵列图像的系统，包括上位机、投影仪和至少三个相机；
所述上位机用于生成投影图像、并将图像发送到投影仪；
所述投影仪用于将投影图像投射到被测物表面；
各个相机均用于采集投射在被测物表面投影图像，并将图像传输到上位机；
所述投影图像包括一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，所述激光阵列图像与各个N步相移图像的分辨率一致；
激光阵列图像中的激光条个数与单幅N步相移图像中正弦条纹的周期数一致；各个激光条分别位于正弦条纹的二分之一周期处。
进一步，N步相移图像为三步相移图像、四步相移图像或五步相移图像。
本发明还公开了一种利用上述投射激光阵列图像的系统进行三维重建的方法，包括以下步骤：
S1、标记任意三部相机为特征相机，标定各个特征相机的内参、外参，以及投射激光阵列图像时M个激光平面在各个特征相机坐标系下的光平面方程；将M个激光平面依次编号，所述编号与相移图像中的正弦条纹周期序号一一对应；
将三部特征相机分别记为相机A、相机B和相机C，各相机对应采集的激光阵列图像分别记为激光阵列图像A、激光阵列图像B、激光阵列图像C；
分别利用相机A和相机B采集的N步相移图像解算相对相位；
在激光阵列图像A中标记任一条激光条为激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；
S2、在相机A坐标系中，利用点A与相机A的光心确定空间直线，计算所述空间直线与各个光平面的交点，将交点坐标以及相交光平面的编号对应存储，形成三维点集A；
将三维点集A转换到相机B坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机B的图像平面上，得到二维点集B；
S3、将所述二维点集B中各二维点B的坐标对应到所述激光阵列图像B上，在该激光阵列图像上，分别对每个二维点B进行以下处理：查找与二维点B最近的激光条，计算两者之间的距离值，判断距离值是否大于预设阈值I，若是，则剔除该二维点B；若否，则将该激光条记为待识别激光条、将二维点B所携带的光平面编号标记到所述待识别激光条上；
遍历完各个二维点B后，判断二维点B是否均被剔除：
若是，则直接跳转进行步骤S5；若否，进行步骤S4；
S4、依据对极几何原理获取点A在相机B上极线，计算极线与激光阵列图像B中各待识别激光条的交点，将交点坐标以及待识别激光条的编号对应存储；
再分别利用各个交点与点A立体匹配解算三维坐标，形成三维点集B’；
将三维点集B’转换到相机C坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机C的图像平面上，得到二维点集C；
将所述二维点集C中各二维点C的坐标对应到所述激光阵列图像C上，在该激光阵列图像上，分别查找二维点C与最近激光条，计算两者之间的距离值；提取距离值最小的一组二维点C与激光条，判断该最小距离值是否小于预设阈值II：
若是，则将该二维点C所携带的光平面编号赋予点A，进而获知激光条A对应的光平面编号；并在激光阵列图像B中找到该编号对应的待识别激光条；
若否，则直接进行步骤S5；
S5、在激光阵列图像A中排除激光条A，标记余下的任一条激光条为新的激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；重复步骤S2～S4，直到遍历完激光阵列图像A中的所有激光条；
获知激光阵列图像A和激光阵列图像B中各个对应激光条的光平面编号；
S6、依据激光条与N步相移图像中正弦条纹的周期之间的对应关系以及激光条在图像中的位置，将其携带光平面编号对应到N步相移图像中，获得相移图像中各点的相位周期值；再利用相机A和相机B采集的N步相移图像做相位展开、解算绝对相位，进行三维重建。
进一步，步骤S6将激光条携带光平面编号对应到N步相移图像中，获得相移图像中各点的相位周期值的方法为：
根据激光条中心线上各点像素坐标，将该激光条中心线对应到相移图像中；
在相移图像中，查找单个激光像素点左右两侧二分之一正弦周期内的像素点；为查找到的各个像素点匹配该激光条的编号，以此编号为相位周期值；
遍历各个携带编号的激光条，采用相同的处理方法，为相移图像中各点的相位周期值。
若激光阵列图像A和激光阵列图像B中采集到的激光条没有被遮挡时，步骤S5，可以替换为以下执行方式：利用已知激光条的编号，根据其他激光条与该激光条的位置关系，确定其他激光条的编号。
优选，预设阈值I的取值范围1～3像素。
优选，预设阈值II的取值范围0.05～2像素。
本发明提供的系统仅需投射一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，如投射一幅激光阵列图像和单个频率的四步相移图像，共五幅图像；投射一幅激光阵列图像和单个频率的三步相移图像，共四幅图像；投射一幅激光阵列图像和单个频率的五步相移图像，共六幅图像；
例如：现有的三维扫描系统，投射三种频率的四步相移图像，共12幅图像；投射三种频率的三步相移图像，共9幅图像；投射三种频率的五步相移图像，共15幅图像；为此，相比于现有系统，本系统减少了投影图像数量，降低了测量时间，更加满足高节拍检测需求；
本发明还提出了一种利用激光阵列图像进行三维重建的方法，通过激光阵列图像中各个激光条的编号，为相移图像匹配相位周期，进而进行相位展开、解算绝对相位，完成三维重建；具有快速、准确的特点。
附图说明
图1为具体实施方式中的激光阵列图像；；
图2为具体实施方式中单个频率的一幅四步相移图像。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
技术方案如下：
一种投射激光阵列图像的系统，包括上位机、投影仪和至少三个相机；
上位机用于生成投影图像、并将图像发送到投影仪；
投影仪用于将投影图像投射到被测物表面；
各个相机均用于采集投射在被测物表面投影图像，并将图像传输到上位机；
投影图像包括一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，激光阵列图像与各个N步相移图像的分辨率一致；
如图1～2所示，激光阵列图像中的激光条个数与单幅N步相移图像中正弦条纹的周期数一致；各个激光条分别位于正弦条纹的二分之一周期处。
其中，N步相移图像为三步相移图像、四步相移图像或五步相移图像。
本发明还公开了一种利用上述投射激光阵列图像的系统进行三维重建的方法，包括以下步骤：
S1、标记任意三部相机为特征相机，标定各个特征相机的内参、外参，以及投射激光阵列图像时M个激光平面在各个特征相机坐标系下的光平面方程；将M个激光平面依次编号，编号与相移图像中的正弦条纹周期序号一一对应；
如正弦条纹周期数量为100，则M＝100；
将三部特征相机分别记为相机A、相机B和相机C，各相机对应采集的激光阵列图像分别记为激光阵列图像A、激光阵列图像B、激光阵列图像C；
分别利用相机A和相机B采集的N步相移图像解算相对相位；
在激光阵列图像A中标记任一条激光条为激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；
S2、在相机A坐标系中，利用点A与相机A的光心确定空间直线；
具体的，先利用相机A的内参，求取点A在相机A坐标系中的空间坐标，再利用空间坐标与相机A的光心(0,0,0)确定空间直线方程；
将空间直线方程分别与M个激光平面在相机A坐标系下的光平面方程联立，计算空间直线与各个光平面的交点，将交点坐标以及相交光平面的编号对应存储，形成三维点集A；
如M＝12，若各个光平面均能成像(未被局部遮挡)在相机A中，则三维点集A中有：12个三维坐标点A以及对应的编号1-12；
将三维点集A转换到相机B坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机B的图像平面上，得到二维点集B；
S3、将二维点集B中各二维点B的坐标对应到激光阵列图像B上，在该激光阵列图像上，分别对每个二维点B进行以下处理：
查找与二维点B最近的激光条，计算两者之间的距离值，判断距离值是否大于预设阈值I(预设阈值I的取值范围1～3像素)，若是，则剔除该二维点B；若否，则将该激光条记为待识别激光条、将二维点B所携带的光平面编号标记到待识别激光条上；如该二维点B对应：三维点A-编号10，则将编号10标记到待识别激光条上；
遍历完各个二维点B后，判断二维点B是否均被剔除：
若是，则说明激光条A不在相机A和相机B的公共视场或者其在相机B视场中被遮挡，未成像；直接跳转进行步骤S5；
若否，进行步骤S4；
S4、依据对极几何原理获取点A在相机B上极线，计算极线与激光阵列图像B中各待识别激光条的交点，将交点坐标以及待识别激光条的编号对应存储；
再分别利用各个交点与点A立体匹配解算三维坐标，形成三维点集B’；
将三维点集B’转换到相机C坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机C的图像平面上，得到二维点集C；此时二维点集C中的各个点还是携带有步骤S3标记过的各个待识别激光条的编号；
将二维点集C中各二维点C的坐标对应到激光阵列图像C上，在该激光阵列图像上，分别查找二维点C与最近激光条，计算两者之间的距离值；提取距离值最小的一组二维点C与激光条，判断该最小距离值是否小于预设阈值II：其中，预设阈值II的取值范围0.05～2像素。
若是，则将该二维点C所携带的光平面编号赋予点A，进而获知激光条A对应的光平面编号；并在激光阵列图像B中找到该编号对应的待识别激光条；
若否，则说明激光条A不在相机A、相机B和相机C的公共视场或者其在相机C视场中被遮挡，未成像；直接进行步骤S5；
S5、在激光阵列图像A中排除激光条A，标记余下的任一条激光条为新的激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；重复步骤S2～S4，直到遍历完激光阵列图像A中的所有激光条；
获知激光阵列图像A和激光阵列图像B中各个对应激光条的光平面编号；
S6、依据激光条与N步相移图像中正弦条纹的周期之间的对应关系以及激光条在图像中的位置，将其携带光平面编号对应到N步相移图像中，获得相移图像中各点的相位周期值；
具体的：根据激光条中心线上各点像素坐标，将该激光条中心线对应到相移图像中(在相移图像中标记出相同的各点像素坐标位置)；
在相移图像中，查找单个激光像素点左右两侧二分之一正弦周期内的像素点；为查找到的各个像素点匹配该激光条的编号，以此编号为相位周期值；
遍历各个携带编号的激光条，采用相同的方法，为相移图像中各点的相位周期值。
再利用相机A和相机B采集的N步相移图像做相位展开、解算绝对相位，进行三维重建。
当较为拍摄场景为理想的情况，拍摄场地没有其他物体(如机器人)干扰，且相机A和相机B的视场均能够覆盖整幅激光阵列图时，对应的，激光阵列图像A和激光阵列图像B中采集到的激光条都没有被遮挡，步骤S5，可以替换为以下执行方式：利用已知激光条的编号，根据其他激光条与该激光条的位置关系，确定其他激光条的编号。无需再重复步骤S2～S4，进行迭代激光阵列图像A中的所有激光条；本发明提供的方法，考虑到部分激光条被遮挡或未处于公共视场的情况，进行了多次查找，具有更高的鲁棒性，同时，本发明系统减少了投影图像数量，降低了测量时间，更加满足高节拍检测需求。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (6)
1.一种投射激光阵列图像的系统，其特征在于，包括上位机、投影仪和至少三个相机；
所述上位机用于生成投影图像、并将图像发送到投影仪；
所述投影仪用于将投影图像投射到被测物表面；
各个相机均用于采集投射在被测物表面投影图像，并将图像传输到上位机；
所述投影图像包括一幅激光阵列图像和单个频率的一组N步相移图像，所述激光阵列图像与各个N步相移图像的分辨率一致；
激光阵列图像中的激光条个数与单幅N步相移图像中正弦条纹的周期数一致；各个激光条分别位于正弦条纹的二分之一周期处。
2.如权利要求1所述的投射激光阵列图像的系统，其特征在于：N步相移图像为三步相移图像、四步相移图像或五步相移图像。
3.一种利用如权利要求1所述投射激光阵列图像的系统进行三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、标记任意三部相机为特征相机，标定各个特征相机的内参、外参，以及投射激光阵列图像时M个激光平面在各个特征相机坐标系下的光平面方程；将M个激光平面依次编号，所述编号与相移图像中的正弦条纹周期序号一一对应；
将三部特征相机分别记为相机A、相机B和相机C，各相机对应采集的激光阵列图像分别记为激光阵列图像A、激光阵列图像B、激光阵列图像C；
分别利用相机A和相机B采集的N步相移图像解算相对相位；
在激光阵列图像A中标记任一条激光条为激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；
S2、在相机A坐标系中，利用点A与相机A的光心确定空间直线，计算所述空间直线与各个光平面的交点，将交点坐标以及相交光平面的编号对应存储，形成三维点集A；
将三维点集A转换到相机B坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机B的图像平面上，得到二维点集B；
S3、将所述二维点集B中各二维点B的坐标对应到所述激光阵列图像B上，在该激光阵列图像上，分别对每个二维点B进行以下处理：查找与二维点B最近的激光条，计算两者之间的距离值，判断距离值是否大于预设阈值I，若是，则剔除该二维点B；若否，则将该激光条记为待识别激光条、将二维点B所携带的光平面编号标记到所述待识别激光条上；
遍历完各个二维点B后，判断二维点B是否均被剔除：
若是，则直接跳转进行步骤S5；若否，进行步骤S4；
S4、依据对极几何原理获取点A在相机B上极线，计算极线与激光阵列图像B中各待识别激光条的交点，将交点坐标以及待识别激光条的编号对应存储；
再分别利用各个交点与点A立体匹配解算三维坐标，形成三维点集B’；
将三维点集B’转换到相机C坐标系下，再将转换后的点集反投影到相机C的图像平面上，得到二维点集C；
将所述二维点集C中各二维点C的坐标对应到所述激光阵列图像C上，在该激光阵列图像上，分别查找二维点C与最近激光条，计算两者之间的距离值；提取距离值最小的一组二维点C与激光条，判断该最小距离值是否小于预设阈值II：
若是，则将该二维点C所携带的光平面编号赋予点A，进而获知激光条A对应的光平面编号；并在激光阵列图像B中找到该编号对应的待识别激光条；
若否，则直接进行步骤S5；
S5、在激光阵列图像A中排除激光条A，标记余下的任一条激光条为新的激光条A，激光条A中心线上的任一点为点A；重复步骤S2～S4，直到遍历完激光阵列图像A中的所有激光条；
获知激光阵列图像A和激光阵列图像B中各个对应激光条的光平面编号；
S6、依据激光条与N步相移图像中正弦条纹的周期之间的对应关系以及激光条在图像中的位置，将其携带光平面编号对应到N步相移图像中，获得相移图像中各点的相位周期值；再利用相机A和相机B采集的N步相移图像做相位展开、解算绝对相位，进行三维重建。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S6将激光条携带光平面编号对应到N步相移图像中，获得相移图像中各点的相位周期值的方法为：
根据激光条中心线上各点像素坐标，将该激光条中心线对应到相移图像中；
在相移图像中，查找单个激光像素点左右两侧二分之一正弦周期内的像素点；为查找到的各个像素点匹配该激光条的编号，以此编号为相位周期值；
遍历各个携带编号的激光条，采用相同的处理方法，为相移图像中各点的相位周期值。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：预设阈值I的取值范围1～3像素。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：预设阈值II的取值范围0.05～2像素。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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