CN1595057A - 基于空间正交条纹投影的多分辨三维数字成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于空间正交条纹投影的多分辨三维数字成像方法，属于三维数字成像技术。该方法采用图像发射器、图像接收器和图像处理器构成的单套或双套成像装置，其过程是，发射器以投射取向垂直于空间载波条纹照明物体和发射器以投射水平取向的空间载波条纹照明物体，然后对在二维方向上的空间载波条纹深度进行空间编码，解码后在二维方向上得到物体的三维深度图像信息。本发明优点在于，在同一装置上无需任何机械或电子调整，实现对物体的垂直、水平方向上的正交空间载波编码，并以两个自由度解码空间调制载波的相位测量和实现物体表面的三维数字成像，解决了现有三维数字成像技术中所存在的对任意自由曲面物体不具普适性的问题。

Description

基于空间正交条纹投影的多分辨三维数字成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于空间正交条纹投影的多分辨三维数字成像方法，属于三维数字成像技术。
背景技术
在基于条纹投影和相位测量的三维成像技术中，投影条纹作为单一频率的空间载波投射到物体上，将物体的深度信息编码在调制后的空间载波相位之中。成像装置和光电探测器获取单幅或多幅编码空间载波图像，通过对所说的编码载波图像进行光学或数字解码重构出物体的深度数据。物体形貌调制的空间载波图像的解码方法包括：相移轮廓术、傅里叶变换轮廓术和空间相位探测术。所说的方法采用相同的结构，投影装置和成像装置位于空间同一平面内，所产生的空间载波条纹的取向垂直于投影装置的出瞳与成像装置的入瞳的连线。因此，这种结构只能产生单一取向的空间载波条纹对物体的深度信息在单一方向上进行编码，这种结构只具有一个自由度。对于一个任意的自由曲面，其形貌和拓扑结构事先无从获知，也无法事先知道载波条纹受物体形貌调制的程度，物体形貌和拓扑结构的任意性和复杂性可能使得空间载波条纹在物体形貌的某些方向上调制度太低或太高，而无法精确获得这部分深度数据。调制度太高往往对应物体表面梯度很大或拓扑结构复杂的形状部分，这时由于存在深度相位模糊而无法获得这部分的正确形状。所以，现有的三维成像方法对表面形状和拓扑结构复杂的物体不具有普适性。例如，对人体三维成像时，由于人体各部位器官的形状，如脸部、肢体等使得空载波条纹的相位具有不同的调制程度。经验表明：对自然站立人体的面部投影垂直条纹，而对躯干部分投射水平条纹，以获取最佳相位调制度的空间条纹载波结构光图像。从而，利用现有的技术在测试过程中必须对整个装置或被测对象旋转90度才能分两次实现对人体全身的空间编码，这为测量带来很多不便。而造成这种结果的根本原因，就是现有技术不能利用同一结构快速实施对物体表面形貌在二维方向上进行空间编码和三维数字成像。
可对比的技术文献有下以四篇：
[1]发明专利：申请号00107371.0
[2]发明专利：申请号98111691.4
[3]M.Alexzander，el al，“Structured-light，triangulation-based three dimensional digitizer”.US
   Patent 6,549,288
[4]M.Halioua and V.Srinivasan，“Method and apparatus for surface profilometry”.US Patent
   4,641,972
[5]
发明内容
本发明的目的是提供一种基于空间正交条纹投影实现多分辨三维数字成像的方法，它可以在同一装置上实现对物体的垂直、水平二维方向上的正交空间载波编码，并以两个自由度解码空间调制载波的相位测量和实现物体表面的三维数字成像，使三维数字成像技术中对任意自由曲面物体具有普适性。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案加以实现的：采用包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的单套成像装置，或双套成像装置，实施对物体多分辨率的三维数字成像方法。其特征在于包括以下过程：
数字投影照明发射器以固定仰角投射空间载波条纹照明物体，提升并偏转图像传感接收器使其光轴与投影条纹照明场的中心位于同一直线。数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳的中心连线在水平(x)和垂直(y)方向各有一个投影线，以二者在水平方向上的投影线为基线与被照明物体构成一个平行于z-o-x平面的三角形，此时数字投影照明发射器以投射取向垂直于所说投影线的空间载波条纹照明物体；以在垂直方向上的投影线为基线与被照明物体构成另外一个平行于z-o-y平面的三角形，此时数字投影照明发射器以投射水平取向的空间载波条纹照明物体。在二维方向上的空间载波条纹对描述自由表面物体形貌的深度进行空间编码，对所获得空间编码的载波结构光再经过数字解码后在二维方向上得到物体的三维深度图像信息。
上述的二维方向上的空间载波条纹的频率相同或不同；两种方向的条纹图顺序投影到物体，或同时投影到物体。
上述的数字解码的方法用相移轮廓术或者傅里叶变换轮廓术。
上述的数字解码后在二维方向上得到物体的三维深度图像过程，首先通过折叠相位图中的跳变数目的差异来判断分辨率的高低，再通过“递推”实现分辨率较低的折叠相位图获得较高分辨率的空间相位重建的过程融合物体的二维方向上分别获得深度信息。
与已有的方法和技术相比，本发明具有以下优点：
它可以在同一装置上实现对物体的垂直、水平二维方向上的正交空间载波编码，并以两个自由度解码空间调制载波的相位测量和实现物体表面的三维数字成像。该技术可以根据物体表面的形貌，无需任何机械或电子调整就可投射垂直或(和)水平两种正交载波条纹，对物体在二维方向进行空间载波编码和三维数字成像，解决了现有三维数字成像技术中所存在的对任意自由曲面物体不具普适性的问题。
附图说明
图1为用以实现本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的实施例之一，是采用单套三维数字成像装置，空间载波条纹的取向平行于y轴的投影结构示意图。
图3是本发明的实施例之二，是采用单套三维数字成像装置，空间载波条纹的取向平行于x轴的投影结构示意图。
图4是本发明的实施例之三，是采用双套三维数字成像装置，对物体在两个视角进行三维数字成像的结构示意图。
图中：101为数字投影照明发射器，102为投影镜，103为图像传感接收器，104为成像透镜，105为调节杆，106为支架，107为图像处理器，108为被照明物体，201、202为整套的成像装置，203为物体。
具体实施方式
按照上述方法，实现空间正交条纹投影法的多分辨率三维数字成像的装置，主要包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器。所说的数字投影照明发射器可以是数字液晶投影装置(LCD投影仪)，数字微镜投影装置(DMD投影仪)或硅基片液晶投影装置(LCOS投影仪)，可用计算机图像处理系统方便地生成空间混频率的多种周期结构图案(例如，垂直、水平或混频条纹图)并写入数字投影装置，所说的空间混频率的多种周期结构用于照明被测物体；所说的图像传感接收器包括光学成像透镜与光电探测器构成，光学成像透镜可以是定焦距或变焦距的成像透镜或透镜组，二元光学成像系统，衍射元件成像系统，显微成像系统；所说的光电探测器件可以是电荷耦合器件，液晶器件，空间光调制器件，CMOS器件或数码相机。所说的图像处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，也可以是通用图像处理卡和计算机组合构成。其特征在于，数字投影照明发射器以固定仰角投射条纹，图像传感接收器放置在条纹照明场的中心所处的水平面内，并偏转一定的角度，使它的光轴与条纹照明场的中心处于一条直线。本装置的工作距和工作视场可灵活调整，只要相应提升或降低图像传感接收器，并适当调整图像传感接收器偏转角度，保证其光轴与条纹照明场的中心处于同一直线即可获得不同的工作距和工作视场，实现广泛一类不同尺寸、不同形状、以及不同拓扑结构的自由表面物体的三维数字成像。
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
如附图1所示，数字投影照明发射器101与图像传感接收器103分别位于平行于xoz平面的不同平面内。数字投影照明发射器101的投影镜102的出瞳P和图像传感接收器103的成像透镜104的入瞳E的连线PE在x(水平)和y(垂直)方向的投影为CE和CP，其中C是过P点并平行于y方向的直线与过E点并平行于x方向的直线的相交点，分别以CE和CP投影线作为基线，可分别得到与被照明视场的中心点构成空间方位相互垂直的两个三角形，从而实现在x和y的二维正交方向上对物体进行空间相位调制。调节杆105用来调节图像传感接收器103的高度和角度，通过升降和旋转调节杆105使图像传感接收器103的光轴通过条纹照明场的中心，支架106用来固定调节杆105和支撑图像传感接收器103。数字投影照明发射器101所需的空间载波条纹图由图像处理器107的计算机或数字信号处理器产生。表征任意自由表面物体形貌的深度信息对载波条纹进行空间相位编码，其结果通过图像传感接收器103传送到图像处理器107。
附图2是本发明单套装置在xoz平面所构成的垂直条纹投影的三维数字成像示意图。数字投影照明发射器101以固定仰角投射垂直条纹照明物体108，这时构成了以PE在x方向的投影CE为基线的垂直条纹投影的三维数字成像结构。图像传感接收器103接收调制的条纹结构光，在x(水平)方向获得空间相位编码图，再传送到图像处理器107，经解码在x方向上获得物体三维深度信息。
附图3是本发明单套装置在yoz平面所构成的水平条纹投影的三维数字成像示意图。数字投影照明发射器101以仰角α投射水平条纹照明物体108，此时形成以PE在y方向的投影CP为基线的水平条纹投影的三维数字成像结构。图像传感接收器103接收调制的条纹结构光，在y(垂直)方向获得空间相位编码图，再传送到图像处理器107，经解码后在y方向上获取物体三维深度信息。
对物体三维数字成像时，在x、y二维方向上的空间载波条纹的频率可以相同，也可以不同；两种方向条纹图可以顺序投影到物体，也可以同时投影到物体。在x、y方向上可以分别获取物体的不同分辨率的三维深度信息，通过融合这两个深度像数据，获得物体多分辨的三维数字像。对不同大小的物体，可以通过调节杆垂直方向升降和面内旋转两个自由度调节图像接收器的空间位置，以获得物体的最佳视图和更大的动态测试范围。
附图4是本发明双套装置在不同视角对物体同时进行三维成像的结构示意图。三维数字成像装置201于任一视角在二维方向上获取对物体203的数字像，另外一套装置202可以同时于另外一个视角在二维方向上获取物体的数字像，两套装置在二维方向上投射条纹的频率和投射条纹的顺序均相互独立，分别在不同视角对物体的三维数字成像。

Claims (4)

1、一种于基空间正交条纹投影的多分辨三维数字成像方法，该方法采用包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的单套成像装置，或双套成像装置，实施对物体多分辨率的三维数字成像，其特征在于包括以下过程：数字投影照明发射器以固定仰角投射空间载波条纹照明物体，提升并偏转图像传感接收器使其光轴与投影条纹照明场的中心位于同一直线，数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳的中心连线在水平和垂直方向各有一个投影线，以二者在水平方向上的投影线为基线与被照明物体构成一个平行于z-o-x平面的三角形，此时数字投影照明发射器可以投射取向垂直于所说投影线的空间载波条纹照明物体；以在垂直方向上的投影线为基线与被照明物体构成另外一个平行于z-o-y平面的三角形，此时数字投影照明发射器可以投射水平取向的空间载波条纹照明物体，在二维方向上的空间载波条纹对描述自由表面物体形貌的深度进行空间编码，对所获得空间编码的载波结构光再经过数字解码后在二维方向上得到物体的三维深度图像信息。
2、按权利要求1所述的成像方法，其特征在于：二维方向上的空间载波条纹的频率相同或不同；两种方向的条纹图顺序投影到物体，或同时投影到物体。
3、按权利要求1所述的成像方法，其特征在于：数字解码的方法用相移轮廓术或者傅里叶变换轮廓术。
4、按权利要求1所述的成像方法，其特征在于：数字解码后在二维方向上得到物体的三维深度图像过程，首先通过折叠相位图中的跳变数目的差异来判断分辨率的高低，再通过“递推”实现分辨率较低的折叠相位图获得较高分辨率的空间相位重建的过程融合物体的二维方向上分别获得深度信息。
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