CN114754703B - 一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统 - Google Patents

一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统，所述测量方法包括：基于彩色光栅条纹图提取包裹相位之后，对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，以使得包裹相位图灰度值均匀化。相比于现有技术通过拍摄额外的背景图像计算出串扰误差补偿矩阵，来抵消通道之间的非线性误差的方法，本发明一方面不需要拍摄额外的图像以避免降低测量效率，另一方面，通过直接对包裹相位进行校正，而不是从光强入手对图像进行校正，避免了修正过度产生新的误差。

Description

一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统。
背景技术
条纹投影轮廓术以其非接触式，测量速度快等特点在三维测量中应用广泛。其中彩色条纹光栅由于一副图像可以包含三幅条纹图像信息，使三维测量速度显著提升。但由于彩色图像各个颜色通道之间存在串扰，导致测量过程出现干扰较大的非线性误差。为解决这一问题，现有技术通过拍摄额外的背景图像计算出串扰误差补偿矩阵，来抵消通道之间的非线性误差。但该类方法主要从光强入手对图像进行二次修正，一方面容易出现修正过度产生新的误差，另一方面需要拍摄额外的图像降低了测量效率。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于彩色光栅的三维测量方法及系统，提高测量效率的同时提高了彩色光栅的非线性误差的校正效率。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于彩色光栅的三维测量方法，所述测量方法包括：基于彩色光栅条纹图提取包裹相位之后，对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，以使得包裹相位图灰度值均匀化。
在一种实施方式中，所述对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，采用直方图均衡化方法，包括：
获取包裹相位图中灰度值的概率分布；
根据灰度值的概率分布计算出灰度值的累积概率分布；
根据灰度值的累积概率分布将图像的灰度值进行均衡化映射。
在一种实施方式中，所述基于彩色光栅的三维测量方法包括：
采集经待测物体调制的变形彩色条纹图，所述彩色条纹图包括一幅三步相移条纹图和一幅灰度编码条纹图；
基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；
基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；
基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
在一种实施方式中，所述灰度编码条纹图采用四级灰度编码条纹图。
在一种实施方式中，所述四级灰度编码条纹图的R通道图像和B通道图像的强度分别为：
式中，ceil(m)表示对m向上取整；CS(i)，(i＝1，2，3，4)代表四级灰度编码，T为相移条纹周期。
在一种实施方式中，所述基于灰度编码条纹图获得相位展开级次，包括：
基于一个四级灰度编码条纹图G1(x,y)和预设四级灰度阈值获取K1(x,y)；
获取另一个四级灰度编码条纹图G2(x,y)的K2(x,y)，
式中，C1和C2分别是CS1和CS2的编码码字；
基于K1(x,y)和K2(x,y)获取相位展开级次K(x,y)，
K(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y)；
在一种实施方式中，所述基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位Φ(x,y)，包括：Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πK(x,y)，其中φ(x,y)为提取的包裹相位。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种基于彩色光栅的三维测量系统，该系统包括：
三维测量投影模块，用于利用投影仪将预先编码的一幅三步相移彩色光栅图和一幅灰度编码条纹图先后投影到被测物表面；
图像采集模块，用于利用彩色相机采集经待测物体调制的变形条纹图；
变形条纹图信息提取模块，用于基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；
变形条纹图优化模块，用于基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；
三维建模模块，用于基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
本发明的基于彩色光栅的三维测量方法及系统，具备如下有益效果：相比于现有技术通过拍摄额外的背景图像计算出串扰误差补偿矩阵，来抵消通道之间的非线性误差的方法，本发明一方面不需要拍摄额外的图像以避免降低测量效率，另一方面，通过直接对包裹相位进行校正，而不是从光强入手对图像进行校正，避免了修正过度产生新的误差，提高了彩色光栅的非线性误差的校正效率。
附图说明
图1是本申请实施例基于彩色光栅的三维测量方法的投影设备和彩色相机位置关系示意图；
图2是本申请实施例基于彩色光栅的三维测量方法的流程图；
图3是三步相移条纹图和灰度编码条纹图及其通道图像示意图；
图4是三步相移条纹图相位分布密度示意图；
图5是两个四级灰度编码条纹图的全周期序列；
图6是本申请实施例基于灰度编码条纹图获取相位展开级次的方法流程图；
图7是本申请实施例基于彩色光栅的三维测量系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-6，本申请实施例提供了一种基于彩色光栅的三维测量方法，所述测量方法包括：基于彩色光栅条纹图提取包裹相位之后，对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，以使得包裹相位图灰度值均匀化。
现有技术中，从RGB色彩模型入手，依次将三步相移光栅图编入相应的RGB彩色光栅的三个通道内，彩色图像中的三个通道图像分量的相位相差120°，彩色光栅比单帧灰度光栅包含更多的信息，可替换灰度光栅的多次投影而使用彩色光栅单帧投影，相机捕获彩色光栅后可将各通光栅信息分离，得到三幅相移光栅图，从而可使用相移法提取包裹相位。对提取的包裹相位进行相位展开获得绝对相位，对三维测量系统进行标定，根据绝对相位与高度关系，得到物体三维测量结果。
本申请实施例中，对于RGB三通道彩色光栅条纹图，考虑到彩色图像各个颜色通道之间存在串扰，导致测量过程出现干扰较大的非线性误差，本申请实施例在基于彩色光栅条纹图利用相移法提取包裹相位之后，对包裹相位图进行图像像素处理，提高了彩色光栅的非线性误差的校正效率。
而且，相比于现有技术通过拍摄额外的背景图像计算出串扰误差补偿矩阵，来抵消通道之间的非线性误差的方法，本申请实施例通过直接对包裹相位进行校正，不需要拍摄额外的图像以提高测量效率，而且通过直接对包裹相位进行校正，而不是从光强入手对图像进行校正，避免了修正过度产生新的误差。
具体来说，对于彩色图像通道串扰带来的非线性误差，本申请中考虑：
参见图3，图中(1)、(2)、(3)分别是彩色光栅条纹图的R、G、B三个通道图像，(6)是(1)(2)(3)三张图经过三步相移算法形成的一张彩色复合正弦条纹图像即，基于一张该彩色复合正弦条纹图像投影到被测物表面上，可以获得一幅经待测物体调制的变形彩色条纹图，该彩色光栅条纹图三个通道图像的强度可表示为：
Sn(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+δn] (1)
其中，n表示相位步数，n＝1，2，3；A(x,y)和B(x,y)分别表示背景和调制强度；(x,y)表示图像的像素坐标；φ(x,y)为待求解的相位；δn为相移图像的相移量；
对采集到的彩色条纹图像进行通道提取，并根据三步相移算法求出包裹相位：
由等式(1)-(5)可以看出相位的概率密度仅与相位相关，由彩色图像通道串扰引起的畸变，会导致相位的概率密度发生变化。理想无畸变的彩色相移图像，其相位的概率分布如图4(1)所示,其中相位的概率密度分布是均匀的。通过畸变矩阵仿真实际的彩色图像，其相位的概率分布如图4(2)所示，其中相位的概率密度分布是不均匀的。所以针对如图4(2)所示的相位分布图即基于彩色光栅条纹图提取的包裹相位，对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，以使得包裹相位图灰度值均匀化，可以实现对彩色图像通道串扰引起的畸变的修正。
上述灰度变换使得包裹相位图灰度值均匀化的方法，可以采用多种算法实现，能够实现图像灰度均匀化即可，在一种优选实施方式中，上述对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，采用直方图均衡化方法，包括如下步骤：
获取包裹相位图中灰度值的概率分布，由于灰度值为0到255的离散型变量，所以其概率分布可表示为：
式中r为图像高度，c为图像的宽度；xi为灰度值x在整幅图像中的像素点个数；
根据灰度值的概率分布计算出灰度值的累积概率分布F(x)，
根据灰度值的累积概率分布将图像的灰度值进行均衡化映射，设原图像的灰度值为φ(x,y)，则均衡化后的图像灰度值φ′(x,y)可表示为：φ′(x,y)＝F(φ(x,y))。
基于上述通过畸变矩阵仿真实际的彩色图像，获得了如图4(2)所示的相位的概率分布，对该仿真的彩色图像提取包裹相位之后，通过上述直方图均衡化方法，可以获得修正后的包裹相位图如图4(3)所示，结合图4(3)和4(1)，可见本申请实施例中通过对提取的包裹相位进行图像灰度均衡化处理，对修正彩色图像通道串扰引起的畸变是有效的。
具体来说，本申请实施例的基于彩色光栅的三维测量方法，包括：
S1：采集经待测物体调制的变形彩色条纹图，所述彩色条纹图包括一幅三步相移条纹图和一幅灰度编码条纹图；
S2：基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；
S3：基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；
S4：基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
在上述步骤S1中，三步相移条纹图是基于三种相位差为的正弦条纹形成的R、G、B三通道图，经过三步相移算法形成的一张彩色复合正弦条纹图像。具体的，将具有相同频率的三个相移正弦光栅图案按照规定顺序分别编码在一张同时含有红色，绿色和蓝色三个通道的彩色光栅图案中，经过投影到被测物表面，得到经过测物体调制的变形三步相移彩色条纹图，继而在步骤S2中基于该变形三步相移彩色条纹图获取包裹相位。
由于相位的概率密度仅与相位一致，而光强的概率密度高度非线性。因此上述步骤S3中直接对步骤S2提取的包裹相位进行直方图均衡化校正，提高了彩色光栅的非线性误差的校正效率。
在一些实施方式中，上述步骤S1采用的灰度编码条纹图可以采用三灰度编码策略也可以采用四灰度编码策略，在本申请实施例中，灰度编码条纹图采用四灰度编码策略生成四级灰度编码条纹图，该彩色的四级灰度编码条纹图如图3(7)所示，该四级灰度编码条纹图的的R通道图像和B通道图像如图3(4)和3(5)所示，该四级灰度编码条纹图的的R通道图像和B通道图像的全周期序列如图5所示，本申请中采用四灰度编码策略，实现在实现条纹周期频率为64的条件下，比传统的方法减少一幅图像，减少了测量所需的条纹图像幅数，提高了测量效率。
上述一幅灰度编码条纹图的两个通道图像分为记为第一灰度编码条纹图和第二灰度编码条纹图，则第一灰度编码条纹图的强度G1(x,y)为：
第二灰度编码条纹图的强度G2(x,y)为：
式中，ceil(m)表示对m向上取整；CS(i)，(i＝1，2，3，4)代表四级灰度编码，T为相移条纹周期。
在一些实施方式中，上述步骤S2中，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次，包括：
基于一个四级灰度编码条纹图G1(x,y)和预设四级灰度阈值获取K1(x,y)；
获取另一个四级灰度编码条纹图G2(x,y)的K2(x,y)，
式中，C1和C2分别是CS1和CS2的编码码字；
基于K1(x,y)和K2(x,y)获取相位展开级次K(x,y)，
K(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y)。
进一步的，上述步骤S4中，基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位Φ(x,y)，包括：Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πK(x,y)，其中φ(x,y)为提取的包裹相位。
本申请实施例中提供的基于彩色光栅的三维测量方法，利用彩色图像多通道的特点将多幅条纹图像叠加为一副彩色条纹图像，使得整个测量过程只需要投射一幅三步相移彩色光栅图和一幅灰度编码条纹图即可完成三维测量。另外为解决彩色图像通道之间的串扰问题，对包裹相位的灰度直方图进行均衡化映射以校正串扰引起的非线性误差。本发明所提出的方法使用彩色条纹图像，减少了测量所需的条纹图像幅数，且通过直接对包裹相位进行校正，无需额外的拍摄图像，有效提高了测量速度。
参见图7，基于上述基于彩色光栅的三维测量方法，本申请实施例还提供了一种基于彩色光栅的三维测量系统，该系统包括：
三维测量投影模块，用于利用投影仪将预先编码的一幅三步相移彩色光栅图和一幅灰度编码条纹图先后投影到被测物表面；
图像采集模块，用于通过彩色相机采集经待测物体调制的变形条纹图，本申请实施例中的设备包括一台投影仪和一台彩色相机组成，投影仪和相机均与计算机连接以便于数据的采集和处理；
变形条纹图信息提取模块，用于基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；
变形条纹图优化模块，用于基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；
三维建模模块，用于基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于彩色光栅的三维测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：基于彩色光栅条纹图提取包裹相位之后，对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，以使得包裹相位图灰度值均匀化，具体的，包括：
S1：将预先编码完成的一幅三步相移彩色光栅图和一幅灰度编码条纹图先后投影到被测物表面，采集经待测物体调制的变形彩色条纹图，所述彩色条纹图包括一幅三步相移条纹图和一幅灰度编码条纹图；三步相移条纹图是基于三种相位差为的正弦条纹形成的R、G、B三通道图，经过三步相移算法形成的一张彩色复合正弦条纹图像；具体的，将具有相同频率的三个相移正弦光栅图案按照规定顺序分别编码在一张同时含有红色、绿色和蓝色三个通道的彩色光栅图案中，经过投影到待测物表面，得到经过待测物体调制的变形三步相移彩色条纹图；所述灰度编码条纹图采用四级灰度编码条纹图；
S2：基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；所述四级灰度编码条纹图的R通道图像的强度和B通道图像的强度分别记为第一灰度编码条纹图的强度G1(x,y)和第二灰度编码条纹图的强度G2(x,y)，分别为：
式中，ceil(m)表示对m向上取整；CS[i]，i＝1，2，3，4，代表第一灰度编码条纹图的四级灰度编码，T为相移条纹周期；
所述基于灰度编码条纹图获得相位展开级次，包括：基于第一灰度编码条纹图的强度G1(x,y)和预设四级灰度阈值获取K1(x,y)；获取第二灰度编码条纹图的强度G2(x,y)的K2(x,y)，
式中，C1和C2分别是CS1[i]和CS2[i]的编码码字，i＝1，2，3，4，
基于K1(x,y)和K2(x,y)获取相位展开级次K(x,y)，K(x,y)＝K1(x,y)+K2(x,y)；
S3：基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；所述对包裹相位图的图像像素进行灰度变换，采用直方图均衡化方法，包括：获取包裹相位图中灰度值的概率分布；根据灰度值的概率分布计算出灰度值的累积概率分布；根据灰度值的累积概率分布将图像的灰度值进行均衡化映射；
S4：基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色光栅的三维测量方法，其特征在于，所述基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位Φ(x,y)，包括：Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πK(x,y)，其中φ(x,y)为灰度变换后的包裹相位。
3.基于权利要求1-2任一所述三维测量方法的一种基于彩色光栅的三维测量系统，其特征在于，包括：
三维测量投影模块，用于利用投影仪将预先编码完成的一幅三步相移彩色光栅图和一幅灰度编码条纹图先后投影到被测物表面；
图像采集模块，用于利用彩色相机采集经待测物体调制的变形条纹图；
变形条纹图信息提取模块，用于基于三步相移条纹图利用相移算法提取包裹相位，基于灰度编码条纹图获得相位展开级次；
变形条纹图优化模块，用于基于包裹相位图进行所述灰度变换过程；
三维建模模块，用于基于灰度变换后的包裹相位图和所述相位展开级次获得绝对相位，基于绝对相位获得三维测量结果。
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