CN116608794B - 一种抗纹理3d结构光成像方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光成像技术领域，具体涉及一种抗纹理3D结构光成像方法、系统、装置及存储介质。通过投影仪的反向调制将场景非均匀反射调制成均匀光照，以去除纹理边缘所导致的非脉冲性误差。首先以具有纹理误差干扰的相位图为初始步骤，经过多次反向调制光照来修正成为正确的绝对相位图，然后根据正确的相位图进行三角测量得到精确的深度图。此方法中每次调制都能够在一定程度上减少由于纹理干扰导致的相位误差，获得更加准确的相位图和三维数据。基于场景调制编码光照方法的精确三维数据测量，不仅针对具有纹理干扰的二维平面，存在表面纹理干扰的三维测量物体也同样适用。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种抗纹理3D结构光成像方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
近年来，三维测量中的结构光作为主动非接触式测量技术已被广泛应用于逆向工程、医学工程和工业制造等领域，其中的主流方法相位测量轮廓术（PMP）具有高速、高精度等优点。然而，测量过程中的误差的在一定程度上会影响PMP的重建精度，在有纹理图案、不连续性边缘区域和局部高反射率变化的测量物体表面上很难获得高的测量精度，这对于具有此特性的物体进行三维测量具有巨大挑战。因此，为了提高测量精度，减少系统误差，许多研究从成像原理进行改进，消除透镜失真提高成像质量；从标定方法上改进减少标定误差;从投影条纹图案的选择和投影方式上改进。然而，这些方法对于具有非均匀反射率表面的测量精度的提高微乎其微，由于颜色纹理和几何不连续边缘区域的误差是由于相机失焦的自身局限性影响，很难直接消除。有研究直接将具有误差的区域进行丢弃，直接丢弃数据在工业生产制造中是不可取的，往往误差区域就是最重要的数据。因此，对存在不连续性测量误差的物体进行三维重建需要对误差进行尽可能的减少和消除是至关重要的。
发明内容
针对现有3D结构光技术在测量表面反射率不均匀物体时，由于工业相机失焦的自身局限性问题存在，无法有效消除纹理变化边缘所引起的相位误差，针对基于相位方法的结构光三维测量技术，本发明提供一种根据测量场景调制编码光照的抗干扰方法，一种基于场景调制编码光照的抗纹理3D结构光成像方法，以提高测量系统的标定精准性、减少三维测量过程中的数据误差和增强整体鲁棒性。
本发明是通过以下步骤得到的：
一种抗纹理3D结构光成像方法，包括以下步骤：
S1：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制；
S2：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图；
S3：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图；
S4：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束。
优选S4中对深度图进行边缘误差分析包括以下步骤：
对深度图进行边缘画线获取深度曲线，计算深度曲线拟合成高斯分布的程度，如果高于阈值，则执行S1，如果不高于阈值，则结束。
优选S1中通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制，具体操作如下：
设定灰度阈值，将最大投影强度、像素点强度和灰度阈值依照以下公式得到投影强度，
，
为灰度阈值，/>为最大投影强度、/>为像素点强度，/>为投影强度。
优选S2中将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图，具体操作如下：
根据相机-投影仪映射关系和投影强度得到投影仪平面上的投影调制强度：
，
为相机-投影仪映射关系，遍历完所有像素点，得到投影仪平面的投影调制掩膜图。
优选S1中还包括将相机依次捕获投影平面上图像的格雷码图像和全白图像经过反射率均匀化调制。
优选应用于抗纹理3D结构光成像系统，包括相机和投影仪，进行相机标定得到相机与测量表面坐标的映射关系，进行投影仪标定得到投影仪与测量表面坐标的映射关系，进行系统标定得到相机与投影仪之间的映射关系。
优选相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像后，对相移图像、格雷码图像和全白图像进行预处理，预处理操作包括平滑、膨胀腐蚀、去噪。
一种抗纹理3D结构光成像系统，包括：
调整模块：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制；
映射模块：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图；
相位融合模块：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图；
边缘误差分析模块：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束。
一种抗纹理3D结构光成像装置，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现所述的抗纹理3D结构光成像方法。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的抗纹理3D结构光成像方法。
优选S3中获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，具体为将反向调制投影得到的黑背景的相位值与原始未经过调制的白前景进行相位融合。
本发明的有益效果：
与现有方法相比，本发明基于场景调制编码光照的抗纹理干扰方法在测量表面具有局部非均匀反射率变化的情况下可以实现测量系统内参标定精度和三维数据精度的进一步提升，同时保持一定的测量鲁棒性；
基于场景调制编码光照方法的精确三维数据测量，不仅针对具有纹理干扰的二维平面，存在表面纹理干扰的三维测量物体也同样适用。本发明所提方法通过投影仪的反向调制将场景非均匀反射调制成均匀光照，以去除纹理边缘所导致的非脉冲性误差。首先以具有纹理误差干扰的相位图为初始步骤，经过多次反向调制光照来修正成为正确的绝对相位图，然后根据正确的相位图进行三角测量得到精确的深度图。此方法中每次调制都能够在一定程度上减少由于纹理干扰导致的相位误差，获得更加准确的相位图和三维数据。
附图说明
图1为3D结构光测量系统结构图，
图2为基于场景调制策略流程图，
图3为本发明抗干扰方法前后的标定板边缘处相位误差，左图为抗干扰前，右图为本发明抗干扰方法处理后，
图4为为抗干扰方法前后的标定板整体相位误差，左图相对深度图，右图经过相位融合后的相对深度图，
图5为抗干扰方法前后的相位误差曲线图，
图6为自制的字母纹理表面，
图7为抗干扰方法前后的相位误差对比图，左图为抗干扰前，右图为本发明抗干扰方法处理后。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请的技术方案进行具体说明。
图1给出了3D结构光测量系统结构图，整个测量系统由计算机、工业相机、DLP4500投影仪和测量场景组成。获取三维数据的关键在于得到相机、投影仪和三维点之间的映射关系，本方法通过张氏标定法完成标定，得到相机与三维点的映射关系：
投影仪与三维点的映射关系：
相机与投影仪之间的映射关系：
其中，表示相机像素平面坐标，/>表示投影仪像素平面坐标，表示三维点，/>，/>，/>，/>,/>，/>分别表示相机内参、投影仪内参、相机旋转矩阵、相机平移矩阵、投影仪旋转矩阵、投影仪平移矩阵，根据系统标定获取相机与投影仪之间的映射关系，R、T表示系统的旋转矩阵和平移矩阵。
投影仪将计算机生成的正弦条纹图案投影至测量表面，通过相机采集由测量对象表面深度调制的变形条纹图案，调制正弦条纹上的像素点由表示：
其中和/>分别表示背景光强度和投影仪调制光强度，/>为相机像素坐标，/>为正弦条纹图案的频率，/>是需要通过计算得到的变形调制条纹图案相位值，是后续获取测量表面高度分布的重要参数。因此，相位值的准确性越高，最后得到的三维数据就越精准。
本方法的三维测量系统中，由于相机存在无法精准对焦的局限性，测量对象上一点的灰度强度是一种非脉冲响应，受到邻域强度的干扰形成点扩散失焦(PSF)。这种影响与2D高斯函数类似：
其中，为其表面三维点在相机平面的模糊系数。根据此影响，像素点强度由PSF区域内的强度进行加权平均得到，相机采集到的条纹强度表示为：
其中和/>分别是受到点扩散失焦影响后的背景光强度和调制光强度，/>是受到点扩散干扰后实际计算得到的相位值。
根据图1所示搭建测量系统，其中设备包括相机和投影仪，需要对其进行相机标定得到相机与测量表面坐标的映射关系、投影仪标定得到投影仪与测量表面坐标的映射关系/>和系统标定得到相机与投影仪之间的映射关系/>，为后续的场景编码调制建立基础。
基于场景调制策略与张氏标定方法相结合的高精度系统标定。张氏标定方法的标定物为黑白纹理相间的平面板，纹理的干扰导致测量系统具有标定误差。通过基于场景调制策略的误差修正，提高标定的精度。
一种抗纹理3D结构光成像方法，包括以下步骤：
S1：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制。
由于反射率的变化造成纹理边缘误差，纹理间边缘就是误差区域，从采集图像上来看，表面反射率高的区域灰度强度大，表面反射率低的区域灰度强度小。本发明提出的方法的核心是通过相机与投影仪之间的映射关系，利用投影仪的投影光照可调制将反射率高的点降低、反射率低的点升高，从而使得测量表面在相机平面上的灰度强度是均匀的。
为了实现这样的结果，首先每一点的像素强度由公式(7)所示，根据相机获取的N步相移图和像素点强度/>计算得到相对相位:
经过反正切操作后的相对相位是在范围内截断的，因此需要通过格雷码解码操作获得条纹级次/>将/>展开成为绝对相位，绝对相位图的点对应于投影仪像素坐标。
通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制，具体操作如下：
设定灰度阈值，将最大投影强度、像素点强度和灰度阈值依照以下公式得到投影强度，
，
为灰度阈值，/>为最大投影强度、/>为像素点强度，/>为投影强度。
将相机依次捕获投影平面上图像的格雷码图像和全白图像经过反射率均匀化调制。投影的图案包括了计算相对相位的N幅频率一致的相移图、根据相对相位计算绝对相位的M位格雷码图和获取场景光照的全白图像。为了使计算相对相位和绝对相位更加准确，需要对相移图像和格雷码图像全部进行掩膜化操作。
相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像后，对相移图像、格雷码图像和全白图像进行预处理，预处理操作包括平滑、膨胀腐蚀、去噪。
S2：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图。
将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图，具体操作如下：
根据相机-投影仪映射关系和投影强度得到投影仪平面上的投影调制强度：
，
为相机-投影仪映射关系，遍历完所有像素点，得到投影仪平面的投影调制掩膜图。
S3：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图。
新投影的结构化图案（投影调制掩膜图）对测量表面进行反向调制投影（投影仪投影到测量表面），将存在非均匀反射率变化区域变成均匀反射率变化区域，消除纹理变化边缘的非脉冲性误差，得到此区域的正确相位值（去掉纹理误差的绝对相位）。由于反向调制投影会提高均匀反射率变化区域的相位误差，所以将两个相位值进行融合解码得到整个测量视场的相位值/>。反向调制投影得到的黑背景的相位值与原始未经过调制的白前景进行相位融合。
S4：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束。
对深度图进行边缘误差分析包括以下步骤：
对深度图进行边缘画线获取深度曲线，计算深度曲线拟合成高斯分布的程度，如果高于阈值，则执行S1，如果不高于阈值，则结束。
对深度图进行边缘误差分析，理想状态下纹理变化不会造成深度干扰，但由于反射率变化、相机镜头局限性等影响的存在，生成的深度图会存在表面自身深度的边缘外还存在由纹理变化所造成的虚假边缘。通过对边缘画线获取深度曲线，深度曲线拟合成高斯分布的程度，判断是否需要继续进行调制。低于阈值，不进行调制，高于阈值需要进行调制。
由于相机平面与投影仪平面的分辨率不一致，它们之间的映射会受到影响，无法做到一次调制编码就将误差修正，根据误差阈值重复步骤S1-S4，直至纹理边缘误差被基本消除，获取得到最终的深度图。
图2为本申请S1、S2基于场景调制策略流程图。
以下结合圆形标定板和自制纹理表面进行本发明方法的进一步详细说明。
（1）圆形标定板
首先利用投影模块将序列编码条纹投影到标定板表面，采集模块捕获经过深度调制后的变形条纹图案。变形的条纹图案包含了编码的相位信息和高度信息，使用计算机中的算法对采集数据进行处理，获得带有纹理边缘相位误差的绝对相位图，再结合本章的基于场景调制的抗纹理变化干扰方法，重新生成基于表面反射率的新投影条纹。再次由投影模块和采集模块进行投射和捕获，再次通过格雷码与正弦相移结合的编码技术进行解码得到纹理边缘误差消除后的绝对相位。最后将原始未受干扰的绝对相位与消除误差之后的绝对相位进行融合，得到整个测量表面没有纹理变化误差的绝对相位。
利用传统的格雷码相移重建算法获得的标定板纹理边缘处的绝对相位具有相位误差，不在边缘处的相位误差就要少得多。在本次三维重建中，使用水平绝对相位的相位误差进行实验，如图3所示，圆形标定板在上下也具有纹理的突变，左图为原始的相位误差结果图，在边缘的上面部分有明显的误差。右图为误差消除之后在边缘处的相位误差结果图，左右两图对比，有很明显的误差下降。
图4和图5分别表示原始相位和抗干扰之后的融合相位的误差对比，曲线图表示在上下边缘处误差的跳变大小。从4左图上可以看出，由于相机失焦以及标定板的白圈和黑背景之间的高对比度，确实会出现相位误差。在图5中，fusion（融合）和src分别表示误差消除前后的相位误差值，由于测量系统的原因，系统与测量物体不是一个绝对平行的关系，测量平面的相位误差曲线是一条曲线。如曲线所示，由于相机失焦，原始相位在纹理变化区域有明显的失真，利用本章所提出的方法进行误差补偿之后，计算的相位质量具有显著提高。从整体上来说，由于纹理变化所导致的误差区域有所减少，误差的极值也下降了60%左右。
（2）自制纹理表面
在第二个实验中，对自制的测量表面进行三维测量，如图6所示。白色字母“A”和“B”在黑色背景之上，他们的边缘处会对三维测量产生明显的相位跳变结果。测量表面是平面的，如果存在纹理的变化，三维测量之后会得到深度的误差。如图7所示。
一种抗纹理3D结构光成像系统，包括：
调整模块：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制；
映射模块：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图；
相位融合模块：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图；
边缘误差分析模块：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束。
一种基于场景调制编码光照的抗纹理3D结构光成像装置，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现所述的抗纹理3D结构光成像方法。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的抗纹理3D结构光成像方法。
Claims (7)
1.一种抗纹理3D结构光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制；
S2：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图；
S3：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图；
S4：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束；
S1中投影平面上投影的图案包括了计算相对相位的N幅频率一致的相移图、根据相对相位计算绝对相位的M位格雷码图和获取场景光照的全白图像；
S1中通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制，具体操作如下：
设定灰度阈值，将最大投影强度、像素点强度和灰度阈值依照以下公式得到投影强度，
，
为灰度阈值，/>为最大投影强度、/>为像素点强度，/>为投影强度；
S2中将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图，具体操作如下：
根据相机-投影仪映射关系和投影强度得到投影仪平面上的投影调制强度：
，
Mcp为相机-投影仪映射关系，遍历完所有像素点，得到投影仪平面的投影调制掩膜图。
2.根据权利要求1所述的抗纹理3D结构光成像方法，其特征在于，S4中对深度图进行边缘误差分析包括以下步骤：
对深度图进行边缘画线获取深度曲线，计算深度曲线拟合成高斯分布的程度，如果高于阈值，则执行S1，如果不高于阈值，则结束。
3.根据权利要求1所述的抗纹理3D结构光成像方法，其特征在于，应用于抗纹理3D结构光成像系统，包括相机和投影仪，进行相机标定得到相机与测量表面坐标的映射关系，进行投影仪标定得到投影仪与测量表面坐标的映射关系，进行系统标定得到相机与投影仪之间的映射关系。
4.根据权利要求1所述的抗纹理3D结构光成像方法，其特征在于，相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像后，对相移图像、格雷码图像和全白图像进行预处理，预处理操作包括平滑、膨胀腐蚀、去噪。
5.一种抗纹理3D结构光成像系统，其特征在于，包括：
调整模块：相机依次捕获投影平面上图像的相移图像、格雷码图像和全白图像，获取带有纹理误差的绝对相位图和相对深度图，通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制；
映射模块：基于反射率与投影强度的映射关系得到投影强度，将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图；
相位融合模块：获取投影调制掩膜图的去掉纹理误差的绝对相位图，与带有纹理误差的绝对相位图进行相位融合，得到深度图；
边缘误差分析模块：对深度图进行边缘误差分析，如果分析结果高于阈值，则执行S1，如果分析结果不高于阈值，则结束；
调整模块中投影平面上投影的图案包括了计算相对相位的N幅频率一致的相移图、根据相对相位计算绝对相位的M位格雷码图和获取场景光照的全白图像；
调整模块中通过设定绝对相位图的像素点灰度阈值的方法，进行反射率的均匀化调制，具体操作如下：
设定灰度阈值，将最大投影强度、像素点强度和灰度阈值依照以下公式得到投影强度，
，
为灰度阈值，/>为最大投影强度、/>为像素点强度，/>为投影强度；
映射模块中将投影强度经过映射后得到的投影调制强度转换至投影平面，得到投影调制掩膜图，具体操作如下：
根据相机-投影仪映射关系和投影强度得到投影仪平面上的投影调制强度：
，
Mcp为相机-投影仪映射关系，遍历完所有像素点，得到投影仪平面的投影调制掩膜图。
6.一种抗纹理3D结构光成像装置，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的抗纹理3D结构光成像方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的抗纹理3D结构光成像方法。
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