CN115493525A - 一种基于偏振离焦编码结构光的三维测量方法 - Google Patents
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Abstract
偏振光结构光是一种重要的光表面测量方法。与传统的基于光强的三维成像技术相比，偏振策略提供了一个额外的信息通道。信息维度的扩展有利于信息传递的鲁棒性。本文提出了一种用偏振光编码的结构光。采用基于偏振和光强的编码策略来提高投影条纹的质量。利用液晶显示投影仪的特性，采用离焦方法生成了一种鲁棒相移条纹。与其他偏振结构光编码方法相比，该方法需要更简单的设备，无需额外的定制仪器。本发明能够有效提高三维测量的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及三维测量，特别涉及结构光三维测量技术，涉及基于偏振散焦编码结构光的三维测量。
背景技术
主动结构光测量方法作为一种重要的表面非接触三维形状测量技术，近年来受到越来越多的关注。主动结构光测量方法主要有两个特征，其一是主动将光照射到待测物体表面，在早期的主动结构光扫描方法中主要采用光栅与固定光源进行投影，随着科学技术的进步，现如今大部分情况下选择投影仪进行投影；其二是投影的光经过人为编码，具有特定的结构。
偏振作为光的一个重要特性，被广泛应用于主动结构光测量方法中，以更好地重建三维目标。与传统的基于光强的三维成像技术相比，偏振策略提供了一个额外的信息通道。信息维度的扩展有利于信息传递的鲁棒性。目前，在主动结构光测量方法中得到运用的偏振技术主要可以分为对线偏振光的运用和对椭圆或圆偏振光的运用。
对于目前基于圆或椭圆偏振光的主动结构光测量方法，其主要面临的问题是对环境的高要求以及对测量设备的高要求。这一类型的测量方法往往要求被测物体处于一个几乎没有干扰的环境下，这种干扰包括环境光以及轻微震动，同时，这一类型的测量方法也通常要求测量设备为特殊的偏振相机，从而保证能够得到更加全面的偏振信息。这使得这种方法很难在实验室以外的环境中得到应用。
对于目前基于线偏振光的主动结构光测量方法，主要为使投影的结构光通过一个偏振片，使得原本的非偏振光转化为线偏振光，当线偏振光照射到待测物体上时，根据待测物体的形状和材质，光的偏振特性会产生一定的变化。对于高镜面反射的物体，投影的线偏振光能够有效降低物体表面的高光，得到更加清晰可靠的条纹。然而，在基于线偏振光的主动结构光测量方法中，如果希望得到光的偏振态变化信息，所使用的相机必须为特殊的斯托克斯相机，同时对环境干扰也较为敏感。在现有的偏振结构光方法中针对光偏振提出了许多不同的编译方法，其应用范围包括数据存储、量子光学、光学安全与加密、医学、光学显微技术等许多领域。许多关于偏振编码策略的研究已经发表，但这些方法通常需要复杂、精密的光学仪器和器件。这样的要求使得这些光场调制方法不适合在复杂环境中应用。大量使用高精度光学仪器会增加设备成本，降低方法的实用性。同时，在结构光测量方法中，对偏振特性的调制必须保证不能干扰结构光本身的结构，否则将难以对待测物体的三维信息进行重建，因而这些方法很难直接应用到结构光三维测量领域中。
发明内容
本发明的发明目的是通过额外的偏振信息，使结构光三维测量方法的鲁棒性得到提升，具有更强的抗干扰能力，从而提高三维测量的精度。
本发明为了实现其发明目的所采用的技术方案是：一种基于结构光的三维测量方法，包括结构光编码部分、投影部分、摄像机部分、计算机处理部分，一种经过编码的结构光通过投影仪在离焦的条件下被投影到待测物体表面，通过摄像机对投影到物体表面的图像进行捕捉，将捕捉到的图像进行处理运算后得到物体的三维形貌特征，其特征在于：所述的结构光编码部分为生成紫色与绿色均匀间隔分布（1）的编码图像，所述的紫色为在RGB模式下红色通道与蓝色通道均为100%所呈现的颜色，所述绿色为为在RGB模式下绿色通道设置100%所呈现的颜色。
所述的投影部分包括投影仪和经过所述编码的图像；所述的投影仪为LCD投影仪，其具有可以调节的焦距并能够投影所述编码图像，其输出的偏振状态可表示为
，其中
为投影仪的输出偏振状态矩阵，
分别为G,R,B通道的输出，在投影的过程中投影仪处于离焦状态。
进一步的，上述摄像机部分为一个独立相机和一个线偏振片，偏振片被放置在相机前，其能够获取被测物体以及投影到物体表面的图像信息；所述的图像信息包括光的强度信息以及被所述偏振片转化为强度信息的偏振信息。
进一步的，上述的计算机处理部分为对所述摄像机部分得到的图像进行处理，通过对条纹的解码得到待测物体的高度信息，进而得到待测物体的三维图像。
所述的结构光编码图像在经过LCD投影仪进行投影后具有明确的偏振特性，投影的紫色光与绿色光均为线偏振光，投影的紫色光与绿色光均为线偏振光的偏振方向互相垂直，在经过离焦投影后投影的两种色光出现重叠的光场。
所述的重叠的光场为紫色光与绿色光在离焦后的叠加，根据所述的编码图像，在经过离焦后紫色光与绿色光的光强应分别呈现近似正弦规律的周期性变化，其偏振程度可表示为：
其中
和
分别研究了紫条纹和绿条纹的偏振条纹调制度，
是平均偏振强度，由于偏振态是正交的，复合偏振度可以用矢量表示为：
其中由于所述编码的结构光图案具有周期性，
可认为存在于一个
的区间内，
和
在区间
内分别单调，同时，
和
在区间
内分别单调，很显然，
在区间
和区间
内完全单调，可得：
；投影的偏振结构光的光强可以写为：
，其中
为平均强度，由上式可知，复合极化的光强与复合极化程度具有相同的单调性。
本发明与现有技术相比优点在于：
（1）本发明利用了LCD投影仪输出的偏振特性，针对LCD投影仪输出的光具有两种偏振方向相互正交偏振状态的特点，在对投影的结构光图像进行强度编码的同时，对投影的结构光进行偏振态编码，提高了光在传播过程中的鲁棒性。
（2）本发明采用离焦的方法对投影的结构光进行编码，在LCD投影出具有可控偏振图像后改变投影仪的焦距，使投影仪处于离焦状态，从而得到了一组连续周期性变化的相移图案，弥补了LCD投影仪相较于DLP投影仪非线性性较差的缺陷，相比于传统的基于LCD投影仪的投影具有更高的精度，同时也对后期重建工作中的非线性矫正算法要求更低，提高了三维形貌的重建速度。
（3）本发明在测量的过程中不需要额外的机械运动，例如转动偏振片、移动待测物体或移动投影装置，这避免了由于机械运动引起的扰动和误差。
附图说明
附图1为本发明的系统框图。
附图2 为本发明的复合偏振度原理图。
附图3 为本发明的复合偏振度矢量图。
附图4 为本发明的编码结构光图。
附图5 为本发明的实验效果对比图，左为非偏振相移图，右为本发明所述偏振相移图。
附图6 为本发明的实验效果对比图，（a）为相机拍摄的图像，（b）为非偏振方法得到的点云图，（c）为所述偏振方法得到的点云图。
Claims (3)
1.一种基于偏振离焦编码结构光的三维测量方法，包括结构光编码部分、投影部分、摄像机部分、计算机处理部分，一种经过编码的结构光通过投影仪在离焦的条件下被投影到待测物体表面，通过摄像机对投影到物体表面的图像进行捕捉，将捕捉到的图像进行处理运算后得到物体的三维形貌特征，其特征在于：所述的结构光编码部分为生成紫色与绿色均匀间隔分布的编码图像，所述的紫色为在RGB模式下红色通道与蓝色通道均为100%所呈现的颜色，所述绿色为在RGB模式下绿色通道设置100%所呈现的颜色；
所述的投影部分包括投影仪和经过所述编码的图像；所述的投影仪为LCD投影仪，其具有可以调节的焦距并能够投影所述编码图像，其输出的偏振状态可表示为
，其中
为投影仪的输出偏振状态矩阵，
分别为G,R,B通道的输出，在投影的过程中投影仪处于离焦状态；
所述摄像机部分为一个独立相机和一个线偏振片，偏振片被放置在相机前，其能够获取被测物体以及投影到物体表面的图像信息;所述的图像信息包括光的强度信息以及被所述偏振片转化为强度信息的偏振信息。
所述的计算机处理部分为对所述摄像机部分得到的图像进行处理，通过对条纹的解码得到待测物体的高度信息，进而得到待测物体的三维图像。所述的对条纹的解码包括使用N步相移法的解码方法、格雷码辅助相移法的解码方法。
2.根据权利要求 1 所述的一种基于偏振离焦编码结构光的三维测量方法，其特征在于：所述的结构光编码图像在经过投影后具有明确的偏振特性，投影的紫色光与绿色光的偏振方向互相垂直，在经过离焦投影后投影的两种色光出现重叠的光场。
3.根据权利要求 2所述的一种基于结构光的三维测量方法，其特征在于：所述的重叠的光场为紫色光与绿色光在离焦后的叠加，根据所述的编码图像，在经过离焦后紫色光与绿色光的光强应分别呈现近似正弦规律的周期性变化,其偏振程度可表示为：
其中
和
分别研究了紫条纹和绿条纹的偏振条纹调制度, 
是平均偏振强度,由于偏振态是正交的，复合偏振度可以用矢量表示为：
其中由于所述编码的结构光图案具有周期性，
可认为存在于一个
的区间内, 
和
在区间
内分别单调，同时，
和
在区间
内分别单调。很显然，
在区间
和区间
内完全单调，可得：
投影的偏振结构光的光强可以写为：
，其中
为平均强度,由上式可知，复合极化的光强与复合极化程度具有相同的单调性。
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| CN (1) | CN115493525A (zh) |
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|---|---|---|---|---|
| CN116592794A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-15 | 南京理工大学 | 一种基于偏振结构光的快速三维重建方法 |
| CN117405044A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-16 | 华东交通大学 | 基于多频偏振条纹技术的工件三维测量方法及其系统 |
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