CN117252913B - 基于等间距的二值条纹编码投影方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于等间距的二值条纹编码投影方法及系统，涉及结构光三维测量领域。该基于等间距的二值条纹编码投影方法，包括：接收一幅黑白相间的等间距二值条纹；根据投影仪投影图像的宽度确定所述二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为，记录每个点对应的正弦强度值；将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应。本方法计算得到的仿正弦条纹有效避免了离焦的不确定性，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及结构光三维测量技术领域，具体为基于等间距的二值条纹编码投影方法及系统。
背景技术
随着人类社会的发展，机器视觉，精密制造，生物医疗，3D 打印等新兴技术出现，能够正确测量物体的三维轮廓的需求也日益增加。在现有的三维形状测量技术中，条纹投影轮廓术(FPP)以其灵活、快速、准确等优点得到了广泛的应用。在实践中，通常使用聚焦的投影仪产生一系列正弦条纹，将它们投射到被测量对象上。由相机拍摄到经过被测量对象表面高度调制后的变形条纹，对其进行分析计算和相位展开。通过解调光场信息和进行系统标定，以获取被测物体的深度信息。
到目前为止为了克服非线性研究人员已经提出了多种技术，主要可以分为两种：预矫正技术和后补偿技术。然而，由于投影仪的强度响应实际上是随时间变化的，在计算时需要频繁的重新校准，增加了校准和补偿时的复杂程度。1992年，Su等人提出通过对投影仪进行适当离焦，从而滤除二值条纹图像中包含的高次谐波的技术，使图像的灰度值和相位能够匹配（SU X Y, ZHOU W S, BALLY G V, et al. Automated phase-measuringprofilometry using defocused projection of a Ronchi grating [J]. OpticsCommunications,1992,94(6):561-573.）。然而二值方波条纹在离焦后并不能很好的近似正弦条纹，Zhang等人将脉宽调制技术应用到该领域（Y. Wang, S. Zhang, Optimum pulsewidth modulation for sinusoidal fringe generation with projector defocusing,Opt Lett, 35 (24) (2010), pp. 4121-4123），通过脉宽调制方法来产生在离焦后能更接近正弦条纹的二值图案。实际测量发现当条纹宽度增加时，测量的误差依旧很大。1960 年代开始用二进制图像表示灰度图就应用于图像处理和打印领域，称为抖动技术。抖动技术对图像进行处理后可以将一幅 8 位的原始图像转换成 1 位图像。抖动技术包含多种方法，经过比较，其中Bayer 抖动算法、Floyd-Steinberg抖动(FSD)和遗传算法在处理二值图像时有较好的效果（付莉娜,杨静雯,李雁玲等.二值条纹离焦投影技术综述[J].激光与光电子学进展,2022,59(14):137-151.）。在实际测量中为了使输出图像更加适应人眼感知习惯，多数商用视频投影仪都是非线性的，这使得投影仪输出图案混入了大量的高频成分，不再是理想正弦图案，降低了数字条纹投影结构光的三维测量精度。
现有技术在二值离焦投影中由于高频谐波的影响，测量精度较低；并且投影机必须正确散焦才能进行高质量测量，易丢失图像数据信息，降低了测量效率。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了基于等间距的二值条纹编码投影方法及系统，解决了现有技术在二值离焦投影中由于高频谐波的影响，测量精度较低；并且投影机必须正确散焦才能进行高质量测量，易丢失图像数据信息，降低了测量效率的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，提供了一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，包括：
接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，所述二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将所述二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
根据投影仪投影图像的宽度确定所述二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；
将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；
将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为，记录每个点对应的正弦强度值/>；
将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应。
优选的，所述二值条纹表示为:
其中N表示第N个像素点，B表示二值条纹中的黑白条纹；白色的强度值为‘1’，黑色的强度值为‘0’。
优选的，所述确定二值条纹图像计算过程如下：
其中，是投影图片的宽度，/>是投影图片的高度，二值条纹一个周期的像素点值为16，T表示二值条纹的周期数。
优选的，所述正弦条纹强度值取样公式如下：
其中Y代表不同的n所对应的正弦值，将所对应的正弦值作为初始值，当横坐标每次增加/>时记录对应的正弦值，共记录16个点值。
优选的，每幅二值条纹图相应的系数使用线性方程组的方法计算出具体值。
优选的，每幅二值条纹图相应的系数的具体计算公式如下：
其中,-/>表示需要计算的系数值，/>-/>分别表示第1-8幅二值条纹的强度值，等式右边为从正弦条纹中等距离采样的强度值。
优选的，二值条纹图的叠加过程如下：
得出后再通过相应公式进行光强值叠加，具体操作如下：
式中I表示经相机采集得到的经物体高度调制后的仿正弦条纹图案强度，n表示第n幅二值条纹图。
第二方面，提供了一种基于等间距的二值条纹编码投影系统，包括：
预处理模块，用于接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，所述二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将所述二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
第一处理模块，用于根据投影仪投影图像的宽度确定所述二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；
第二处理模块，用于将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；
第三处理模块，用于将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为/>，记录每个点对应的正弦强度值；
求解模块，用于将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应；
第三方面，提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
第四方面，提供了一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
（三）有益效果
本发明基于等间距的二值条纹编码投影方法及系统，通过数字投影仪按顺序聚焦投影生成的二值条纹图，相机采集到图片之后经过特定的叠加方法能够将其还原成所需的经过物体调制后的正弦图像，能够有效克服投影仪非线性的影响，而且在全程聚焦的投影状态下避免了投影图像对比度的降低，从而大大提高了测量的精确度。同时因为投影1bit的二值条纹，相较于传统方法投影的8bit灰度正弦条纹图，提高了投影速率。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例中的正弦条纹的均分及取值图；
图3为本发明实施例中的二值条纹叠加为一个周期正弦条纹的原理图；
图4为本发明实施例中的二值条纹叠加为正弦的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，包括：
接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
根据投影仪投影图像的宽度确定二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；以此确定投影图像大小；
将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；获得二值条纹图的顺序即为最后的投影顺序；
将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为，记录每个点对应的正弦强度值/>；
将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应。
综上，本发明方法通过特定算法叠加等间距的二值条纹来获得仿正弦条纹，再利用相移结构光法进行三维测量，目的在于采用聚焦投影的模式，得到的仿正弦条纹有效避免了离焦的不确定性，避免了非线性的影响，提高了测量精度。
进一步的，二值条纹表示为:
其中N表示第N个像素点，B表示二值条纹中的黑白条纹；白色的强度值为‘1’，黑色的强度值为‘0’。
进一步的，确定二值条纹图像计算过程如下：
其中，是投影图片的宽度，/>是投影图片的高度，由此确定投影图像的大小为二值条纹一个周期的像素点值为16，T表示二值条纹的周期数。
进一步的，正弦条纹强度值取样公式如下：
其中Y代表不同的n所对应的正弦值，将所对应的正弦值作为初始值，当横坐标每次增加/>时记录对应的正弦值，共记录16个点值。由于正弦条纹的对称性，只需知道前半个周期的强度值即可，如图2所示。
进一步的，每幅二值条纹图相应的系数使用线性方程组的方法计算出具体值。
图3为一个周期内的二值条纹图叠加原理示意图，进一步的，每幅二值条纹图相应的系数的具体计算公式如下：
其中,-/>表示需要计算的系数值，/>-/>分别表示第1-8幅二值条纹的强度值，等式右边为从正弦条纹中等距离采样的强度值。
请参阅图4，进一步的，二值条纹图的叠加过程如下：
得出后再通过相应公式进行光强值叠加，具体操作如下：
式中I表示经相机采集得到的经物体高度调制后的仿正弦条纹图案强度，n表示第n幅二值条纹图。
基于上述步骤，即所提出的基于等间距的二值条纹编码投影方法。通过投影等间距的二值条纹，按顺序投影并采集。通过一系列的叠加计算可以获得受物体高度调制的仿正弦条纹图。该发明发挥了二值条纹不受投影仪非线性影响的特性，并且提高了投影速度，稳定了投影光场。同时在全程聚焦的投影状态下避免了投影图像对比度的降低，提高了测量的精确度。
本发明又一个实施例提供了一种基于等间距的二值条纹编码投影系统，包括：
预处理模块，用于接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
第一处理模块，用于根据投影仪投影图像的宽度确定二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；
第二处理模块，用于将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；
第三处理模块，用于将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为/>，记录每个点对应的正弦强度值；
求解模块，用于将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应
第三方面，提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行的方法中的任一方法。
本申请的实施例可提供为方法或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (7)
1.一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，其特征在于，包括：
接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，所述二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将所述二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
根据投影仪投影图像的宽度确定所述二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；
将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；
将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为/>，记录每个点对应的正弦强度值；
将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应；
其中，每幅二值条纹图相应的系数使用线性方程组的方法计算出具体值；
每幅二值条纹图相应的系数的具体计算公式如下：
其中,-/>表示需要计算的系数值，/>-/>分别表示第1-8幅二值条纹的强度值，等式右边为从正弦条纹中等距离采样的强度值；
二值条纹图的叠加过程如下：
得出后再通过相应公式进行光强值叠加，具体操作如下：
式中I表示经相机采集得到的经物体高度调制后的仿正弦条纹图案强度，n表示第n幅二值条纹图。
2.根据权利要求1所述的一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，其特征在于：所述二值条纹表示为:
其中N表示第N个像素点，B表示二值条纹中的黑白条纹；白色的强度值为‘1’，黑色的强度值为‘0’。
3.根据权利要求2所述的一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，其特征在于：所述确定二值条纹图像计算过程如下：
其中，是投影图片的宽度，二值条纹一个周期的像素点值为16，T表示二值条纹的周期数。
4.根据权利要求3所述的一种基于等间距的二值条纹编码投影方法，其特征在于：所述正弦条纹强度值取样公式如下：
其中Y代表不同的n所对应的正弦值，将所对应的正弦值作为初始值，当横坐标每次增加/>时记录对应的正弦值，共记录16个点值。
5.一种基于等间距的二值条纹编码投影系统，其特征在于，包括：
预处理模块，用于接收一幅黑白相间的等间距二值条纹，所述二值条纹中每个条纹的宽度分别占8个像素点值，将所述二值条纹中一黑一白两个连续的条纹视为一个周期，则一个周期的宽度为16个像素点值；
第一处理模块，用于根据投影仪投影图像的宽度确定所述二值条纹的周期数，确定二值条纹图像；
第二处理模块，用于将二值条纹图像每次向左移动一个像素点数并记录，重复移动7次，获得8幅二值条纹图；
第三处理模块，用于将一个周期为2的正弦条纹平均分为15等份，每一等份横坐标增量为/>，记录每个点对应的正弦强度值；
求解模块，用于将8幅二值条纹图中每幅二值条纹图所乘以的相应的系数，经过叠加运算得到仿正弦条纹图，使仿正弦条纹图与所记录的正弦强度值一一对应；
其中，每幅二值条纹图相应的系数使用线性方程组的方法计算出具体值；
每幅二值条纹图相应的系数的具体计算公式如下：
其中,-/>表示需要计算的系数值，/>-/>分别表示第1-8幅二值条纹的强度值，等式右边为从正弦条纹中等距离采样的强度值；
二值条纹图的叠加过程如下：
得出后再通过相应公式进行光强值叠加，具体操作如下：
式中I表示经相机采集得到的经物体高度调制后的仿正弦条纹图案强度，n表示第n幅二值条纹图。
6.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1-4所述的方法中的任一方法。
7.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1-4所述的方法中的任一方法的指令。
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