CN114526692A - 一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置 - Google Patents

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CN114526692A CN202210432993.4A CN202210432993A CN114526692A CN 114526692 A CN114526692 A CN 114526692A CN 202210432993 A CN202210432993 A CN 202210432993A CN 114526692 A CN114526692 A CN 114526692A
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Abstract

本发明涉及光学三维测量技术领域，公开了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置。本发明基于对离焦度与相位的数学分析提出了离焦相位函数的概念，该函数用于表示离焦度与相位的函数关系。本发明在待测物体上投影不同条纹宽度的二值条纹，并拍照以采集对应条纹图像，对该条纹图像计算包裹相位，进而根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数以获取参考相位，基于该参考相位进行解包裹，从而得到用于重建三维点云的绝对相位。本发明与依赖相位精度的多频外差法不同，不会受到相位误差大小的影响，在深度大幅度变化导致相位误差增大的场景下能够实现高精度的三维测量。

Description

一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光学三维测量技术领域，尤其涉及一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置。
背景技术
基于投影与成像技术的高速发展，结构光三维测量方法具有高速，高精度，适用范围广的特点，是广泛应用的非接触式三维测量方法之一。目前大部分的结构光三维测量方法基于二值条纹离焦投影技术。
二值条纹离焦投影技术的原理是利用离焦效应把二值条纹模糊成标准的正弦条纹。二值条纹离焦程度过度或不足均会导致包裹相位误差增大，而相位解包裹的准确度基于包裹相位的精度，解包裹误差会同时增大。目前通常采用多频外差法进行相位解包裹，然而，该多频外差法依赖于包裹相位的精度，容易受到包裹相位误差的影响，从而难以实现高精度的三维测量。
发明内容
本发明提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置，解决了现有相位解包裹方法因容易受到包裹相位误差的影响而难以实现高精度的三维测量的技术问题。
本发明第一方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：
获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；
基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，包括：
根据下式求解离焦度：
Figure 380183DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 559885DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 698743DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 610067DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 672832DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 658106DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 764602DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 412490DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 528213DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 367993DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 396123DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 16460DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 910774DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位，包括：
将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：
Figure 605061DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 584518DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 442884DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 838093DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 183624DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 848829DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 178179DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 111500DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 327849DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 914688DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 403438DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 454964DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 306246DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 470511DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 525186DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 862626DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 817681DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
本发明第二方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实现的方式所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够实现的方式所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
本发明第四方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：
获取模块，用于获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；
包裹相位求解模块，用于基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
相位解包裹模块，用于根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
三维测量模块，用于根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
根据本发明第四方面的一种能够实现的方式，所述相位解包裹模块包括：
离焦度求解单元，用于根据下式求解离焦度：
Figure 418427DEST_PATH_IMAGE025
式中，
Figure 944086DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 835950DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 333928DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 167891DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 433044DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 643445DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 808979DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 282685DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 297784DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 46297DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 800757DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 914207DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
根据本发明第四方面的一种能够实现的方式，所述相位解包裹模块包括：
归一化参考相位计算单元，用于将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：
Figure 167334DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 440577DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 767653DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 379900DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 339897DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 164633DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 346216DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 378631DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 340771DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 906882DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
绝对相位求解单元，用于基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 490441DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 444491DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 566030DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 308985DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 793056DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 403160DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 808734DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
本发明第五方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，所述方法包括：
判断是否已标定离焦相位函数，若是，采用投影仪将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，并利用相机拍照以采集对应条纹图像；
基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
根据本发明第五方面的一种能够实现的方式，所述方法还包括：
若未标定离焦相位函数，使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用N步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；
以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
根据本发明第五方面的一种能够实现的方式，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：
构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：
Figure 716647DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 304492DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 334765DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 978367DEST_PATH_IMAGE030
为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标
Figure 689971DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度，
Figure 148634DEST_PATH_IMAGE031
为不同高度下的平面总数，
Figure 336427DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 654275DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 497467DEST_PATH_IMAGE034
为记录的像素坐标
Figure 295789DEST_PATH_IMAGE012
下的对应归一化参考相位，
Figure 402286DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 207431DEST_PATH_IMAGE036
用于表示对应的矩阵，
Figure 838001DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 740098DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 220758DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 326248DEST_PATH_IMAGE012
下的系数；
按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：
Figure 245663DEST_PATH_IMAGE037
式中，
Figure 254463DEST_PATH_IMAGE038
为矩阵
Figure 233921DEST_PATH_IMAGE035
的转置向量。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明基于对离焦度与相位的数学分析提出了离焦相位函数的概念，该离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；本发明在待测物体上投影不同条纹宽度的二值条纹，并拍照以采集对应条纹图像，对该条纹图像进行相位解调以得到包裹相位，进而根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数以获取参考相位，基于得到的参考相位进行相位解包裹，从而得到用于重建三维点云的绝对相位；本发明与依赖相位精度的多频外差法不同，不会受到相位误差大小的影响，在深度大幅度变化导致相位误差增大的场景下能够实现高精度的三维测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图；
图2为本发明一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置的原理框图；
图3为本发明另一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
附图标记：
1- 获取模块；2-包裹相位求解模块；3-相位解包裹模块；4-三维测量模块。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置，用于解决现有相位解包裹方法因容易受到包裹相位误差的影响而难以实现高精度的三维测量的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：
步骤S1，获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系。
其中，投影仪可以基于下式生成不同条纹宽度的二值条纹，进而投影至待测物体：
Figure 13658DEST_PATH_IMAGE039
式中，
Figure 221916DEST_PATH_IMAGE040
为二值条纹的像素坐标，
Figure 833026DEST_PATH_IMAGE041
表示正弦条纹图案，
Figure 232653DEST_PATH_IMAGE042
为正弦条纹图案
Figure 499686DEST_PATH_IMAGE041
经过二值化生成的二值条纹，
Figure 760903DEST_PATH_IMAGE043
为图案序号，
Figure 977252DEST_PATH_IMAGE044
为相移参数，
Figure 970616DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 52841DEST_PATH_IMAGE046
为投影的二值条纹数量，
Figure 104367DEST_PATH_IMAGE023
为条纹宽度，
Figure 955648DEST_PATH_IMAGE047
为不同条纹宽度的二值条纹中的灰度最大值。
通过本实施例，可以较快速地生成所需的二值条纹。
二值条纹
Figure 119913DEST_PATH_IMAGE048
可以写成如下的余弦级数形式：
Figure 174588DEST_PATH_IMAGE049
式中，
Figure 512029DEST_PATH_IMAGE050
为余弦级数序号，
Figure 467084DEST_PATH_IMAGE051
为调制相位。
二值条纹通过投影的离焦效应模糊变成正弦条纹。离焦对投影条纹的影响可以近似于高斯滤波。由于空间域的卷积相当于频域相乘。离焦后的二值条纹可以用下式表达：
Figure 67830DEST_PATH_IMAGE052
式中，
Figure 593489DEST_PATH_IMAGE053
表示离焦后的二值条纹，
Figure 485353DEST_PATH_IMAGE054
为离焦前的二值条纹，
Figure 717751DEST_PATH_IMAGE007
为点扩散函数的标准差，是投影的离焦程度。
通过引入调制度衰减系数，可以把离焦后的二值条纹变换为：
Figure 817294DEST_PATH_IMAGE055
式中，
Figure 805149DEST_PATH_IMAGE043
表示图案序号，
Figure 15550DEST_PATH_IMAGE056
表示离焦后的二值条纹，
Figure 181083DEST_PATH_IMAGE040
为图案像素坐标，
Figure 123632DEST_PATH_IMAGE057
为调制度衰减系数。
其中，调制度衰减系数与离焦度的关系为：
Figure 358304DEST_PATH_IMAGE058
式中，
Figure 621664DEST_PATH_IMAGE059
为离焦度，其值为点扩散函数的标准差，
Figure 828654DEST_PATH_IMAGE023
为条纹宽度。
步骤S2，基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位。
其中，基于N步相移法计算包裹相位的过程可以参考现有技术中的计算过程，本发明实施例不限定于此。
所述对应的条纹图像是二值条纹经过投影的离焦、物体反射以及相机响应得到的。所述对应的条纹图像可表达为：
Figure 4421DEST_PATH_IMAGE060
式中，
Figure 477121DEST_PATH_IMAGE061
为采集的条纹图像，
Figure 701429DEST_PATH_IMAGE062
为外部光强，
Figure 356402DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 424108DEST_PATH_IMAGE064
是直流分量以及谐波信号的响应参数，
Figure 164531DEST_PATH_IMAGE065
是相机的随机噪声。
在没有获取到已标定好的离焦相位函数时，需要在投影前对离焦相位函数进行标定，进而基于标定好的离焦相位函数，利用投影仪或者其他可实施发投影设备将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，进而由相机获取条纹图像。
离焦相位函数的标定过程可为：
使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用N步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；
以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
在一种能够实现的方式中，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：
构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：
Figure 192530DEST_PATH_IMAGE066
式中，
Figure 187162DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 439152DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 73395DEST_PATH_IMAGE030
为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标
Figure 216670DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度，
Figure 580655DEST_PATH_IMAGE031
为不同高度下的平面总数，
Figure 754278DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 875818DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 573516DEST_PATH_IMAGE034
为记录的像素坐标
Figure 778625DEST_PATH_IMAGE012
下的对应归一化参考相位，
Figure 903576DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 512412DEST_PATH_IMAGE036
用于表示对应的矩阵，
Figure 233375DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 40794DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 585913DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 682045DEST_PATH_IMAGE012
下的系数；
按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：
Figure 455966DEST_PATH_IMAGE067
式中，
Figure 868624DEST_PATH_IMAGE038
为矩阵
Figure 7481DEST_PATH_IMAGE035
的转置向量。
本发明上述实施例，离焦相位函数的标定操作简单便捷，能够获取到准确的离焦相位函数的系数，进而为后续计算绝对相位奠定良好的基础。
步骤S3，根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位。
二值条纹的调制度可以根据现有技术的调制度计算公式进行获取，本发明不限定于此。
在一种能够实现的方式中，所述根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，包括：
根据下式求解离焦度：
Figure 918806DEST_PATH_IMAGE068
式中，
Figure 483036DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 530626DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 840385DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 724158DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 574302DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 991246DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 471906DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 92243DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 231232DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 253414DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 170555DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 10946DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
本发明实施例，给出了调制度与离焦度的关系式，有益于提高离焦度的计算效率，在整体上有益于提高三维测量的效率。
为获取离焦相位函数的表达式，可以对离焦度与相位的函数关系进行如下的推导分析。
根据相机的成像原理，可以建立三维坐标与二维坐标的关系如下：
Figure 734051DEST_PATH_IMAGE069
式中，
Figure 361473DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 980673DEST_PATH_IMAGE040
是投影仪的像素坐标，
Figure 824870DEST_PATH_IMAGE070
是世界坐标下的三维坐标。
Figure 23770DEST_PATH_IMAGE071
为相机的外参，
Figure 754965DEST_PATH_IMAGE072
为投影仪的外参，
Figure 295799DEST_PATH_IMAGE073
为相机的内参，
Figure 378025DEST_PATH_IMAGE074
为投影仪的内参，
Figure 115037DEST_PATH_IMAGE075
为相机与待测物体的距离，
Figure 687357DEST_PATH_IMAGE076
为投影仪与待测物体的距离；
推导获取投影仪的像素坐标与成像距离之间的关系为：
Figure 445097DEST_PATH_IMAGE077
变换为：
Figure 686723DEST_PATH_IMAGE078
进一步变换为：
Figure 774896DEST_PATH_IMAGE079
进一步推导得到：
Figure 215104DEST_PATH_IMAGE080
式中，
Figure 127434DEST_PATH_IMAGE081
表示归一化后的绝对相位，
Figure 856356DEST_PATH_IMAGE082
是DMD调制方向的微振镜数量，
Figure 997487DEST_PATH_IMAGE083
、
Figure 42935DEST_PATH_IMAGE084
为相位与物距函数的待定系数。
从光学的角度分析离焦度与物距之间的关系，离散圆和镜片直径形成相似三角形，因此离散圆半径的表达式为：
Figure 142478DEST_PATH_IMAGE085
式中，
Figure 93116DEST_PATH_IMAGE086
为离散圆半径，
Figure 24557DEST_PATH_IMAGE057
为聚焦面的距离，
Figure 704937DEST_PATH_IMAGE087
表示物距，
Figure 647485DEST_PATH_IMAGE007
为离焦度；
则离焦度与物距之间的关系式为：
Figure 898469DEST_PATH_IMAGE088
可进一步推导得到离焦相位函数的公式：
Figure 115824DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 165557DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 279006DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 266554DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 38332DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 427725DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 712076DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 173538DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 529433DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 524064DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
在一种能够实现的方式中，将计算得到的离焦度代入该离焦相位函数，可以求解得到对应的归一化参考相位。
进一步地，基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 713737DEST_PATH_IMAGE089
式中，
Figure 410298DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 553572DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 855241DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 278132DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 212721DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 910418DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
该投影坐标的最大值，即为投影仪的液晶显示器（LCD）或微机电系统显示器（DMD）中像素单方向总数。例如显示器的分辨率为1280×800,则
Figure 801014DEST_PATH_IMAGE022
=1280。
步骤S4，根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施例所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，该装置可以用于实施如上任意一项实施例所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置的原理框图。
本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：
获取模块1，用于获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；
包裹相位求解模块2，用于基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
相位解包裹模块3，用于根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
三维测量模块4，用于根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
在一种能够实现的方式中，所述相位解包裹模块3包括：
离焦度求解单元，用于根据下式求解离焦度：
Figure 635285DEST_PATH_IMAGE090
式中，
Figure 572017DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 745509DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 569240DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 333933DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 430065DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 718833DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 646338DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 785195DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 916093DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 493705DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 527914DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 837672DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
在一种能够实现的方式中，所述相位解包裹模块3包括：
归一化参考相位计算单元，用于将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：
Figure 236293DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 102749DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 942529DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 219926DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 89531DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 8945DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 703232DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 902263DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 275476DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 670685DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
绝对相位求解单元，用于基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 268413DEST_PATH_IMAGE091
式中，
Figure 684351DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 951384DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 963334DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 163371DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 999478DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 753807DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述地方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，上述描述的装置和模块的具体有益效果，可以参考前述方法实施例中的对应有益效果，在此不再赘述。
本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
请参阅图3，图3示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：
步骤S10，判断是否已标定离焦相位函数，若是，采用投影仪将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，并利用相机拍照以采集对应条纹图像；
步骤S20，基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
步骤S30，根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
步骤S40，根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
具体地，所述步骤S20中，可以基于31步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调。
在一种能够实现的方式中，所述方法还包括：
若未标定离焦相位函数，使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用N步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；
以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
在一种能够实现的方式中，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：
构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：
Figure 553136DEST_PATH_IMAGE092
式中，
Figure 623991DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 381731DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 406713DEST_PATH_IMAGE030
为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标
Figure 947415DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度，
Figure 918782DEST_PATH_IMAGE031
为不同高度下的平面总数，
Figure 66998DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 592657DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 671472DEST_PATH_IMAGE034
为记录的像素坐标
Figure 746613DEST_PATH_IMAGE012
下的对应归一化参考相位，
Figure 314998DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 531215DEST_PATH_IMAGE036
用于表示对应的矩阵，
Figure 961191DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 641571DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 644773DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 82707DEST_PATH_IMAGE012
下的系数；
按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：
Figure 831220DEST_PATH_IMAGE067
式中，
Figure 913577DEST_PATH_IMAGE038
为矩阵
Figure 761447DEST_PATH_IMAGE035
的转置向量。
需要说明的是，对于步骤S20-S40的具体实施，可以参考前述方法中的对应步骤的具体实施例，在此不再赘述。
本发明上述实施例，基于对离焦度与相位的数学分析提出了离焦相位函数的概念，该离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系，与依赖相位精度的多频外差法不同，本发明上述实施例，不会受到相位误差大小的影响，在深度大幅度变化导致相位误差增大的场景下能够实现高精度的三维测量。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，包括：
获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；
基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
2.根据权利要求1所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，所述根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，包括：
根据下式求解离焦度：
Figure 468593DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 617945DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 468090DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 899682DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 380342DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 469521DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 139668DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 833954DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 813411DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 858728DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 299942DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 848735DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 999094DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
3.根据权利要求1所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，所述将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位，包括：
将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：
Figure 344756DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 543656DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 743693DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 2636DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 337059DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 74071DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 394194DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 824038DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 613133DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 153836DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 125203DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 506375DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 235297DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 376428DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 874405DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 459102DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 675319DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
4.一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如权利要求1-3任意一项所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任意一项所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
6.一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；
包裹相位求解模块，用于基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
相位解包裹模块，用于根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
三维测量模块，用于根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
7.根据权利要求6所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，其特征在于，所述相位解包裹模块包括：
离焦度求解单元，用于根据下式求解离焦度：
Figure 354562DEST_PATH_IMAGE025
式中，
Figure 287140DEST_PATH_IMAGE002
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，
Figure 229688DEST_PATH_IMAGE003
示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 464360DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 884977DEST_PATH_IMAGE005
表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第
Figure 170596DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的条纹宽度，
Figure 346362DEST_PATH_IMAGE006
值等于二值条纹总数，
Figure 271593DEST_PATH_IMAGE007
为待求解的离焦度，
Figure 541906DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第1个二值条纹的调制度，
Figure 931299DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第
Figure 215650DEST_PATH_IMAGE004
个二值条纹的调制度，
Figure 706806DEST_PATH_IMAGE010
表示所述第
Figure 469225DEST_PATH_IMAGE006
个二值条纹的调制度。
8.根据权利要求6所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，其特征在于，所述相位解包裹模块包括：
归一化参考相位计算单元，用于将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：
Figure 447545DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 902798DEST_PATH_IMAGE012
是相机的像素坐标，
Figure 382714DEST_PATH_IMAGE013
表示在像素坐标
Figure 745562DEST_PATH_IMAGE012
下的归一化参考相位，
Figure 781651DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 220854DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 935869DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 40091DEST_PATH_IMAGE012
下的系数，
Figure 242271DEST_PATH_IMAGE017
为在像素坐标
Figure 39326DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度；
绝对相位求解单元，用于基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：
Figure 710479DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 962600DEST_PATH_IMAGE019
表示绝对相位，
Figure 973281DEST_PATH_IMAGE020
表示包裹相位，
Figure 737975DEST_PATH_IMAGE021
表示条纹图像的条纹级次，
Figure 402481DEST_PATH_IMAGE022
表示投影坐标的最大值，
Figure 848506DEST_PATH_IMAGE023
表示条纹宽度，
Figure 776011DEST_PATH_IMAGE024
为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
9.一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，所述方法包括：
判断是否已标定离焦相位函数，若是，采用投影仪将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，并利用相机拍照以采集对应条纹图像；
基于N步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；
根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；
根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
10.根据权利要求9所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
若未标定离焦相位函数，使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用N步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；
以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
11.根据权利要求10所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，其特征在于，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：
构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：
Figure 914868DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure 311346DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 561061DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 874231DEST_PATH_IMAGE031
为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标
Figure 229995DEST_PATH_IMAGE012
下的离焦度，
Figure 300719DEST_PATH_IMAGE032
为不同高度下的平面总数，
Figure 416443DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 334851DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 815511DEST_PATH_IMAGE035
为记录的像素坐标
Figure 904690DEST_PATH_IMAGE012
下的对应归一化参考相位，
Figure 761787DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 36167DEST_PATH_IMAGE037
用于表示对应的矩阵，
Figure 687729DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 529783DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 738041DEST_PATH_IMAGE016
为离焦相位函数在像素坐标
Figure 286834DEST_PATH_IMAGE012
下的系数；
按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：
Figure 702772DEST_PATH_IMAGE038
式中，
Figure 15811DEST_PATH_IMAGE039
为矩阵
Figure 949131DEST_PATH_IMAGE036
的转置向量。
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