CN1786810A - 投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学技术领域的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，采用平行移动面阵条纹的扫描方式，投影仪生成的投影图像中的面阵条纹是黑白相间的二值结构光条纹阵列，面阵条纹按步距b和频率f沿投影仪的垂直扫描方向步进移动，在三维成像的视场范围内，投影在被测物体上的每条结构光条纹及其每次步进，经摄像机和图像采集卡按频率F采集后都能够被计算机识别和区分；利用光学三角测量的手段，获取和累积三维数据，从而实现对被测物体的高解析度三维成像。本发明能用于设计结构简单、体积小、实现容易、成本较低的高解析度三维面形传感器，应用范围广，且三维空间采样精度和成像效率大幅提高。

Description

投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学技术领域的成像方法，具体是一种投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法。

背景技术

光学三维成像技术是机器视觉研究方面中的重要部分，作为自动化技术的“眼睛”，在诸多领域中有着极其广泛的应用。高解析度光学三维成像系统能够在由投影装置的投影光路与摄像机的接收光路共同组成的有效视场范围内，获取被测物体表面更多的三维数据，从而达到三维空间的高采样精度的目标。目前在主动机器视觉领域采用以下几种高解析度光学三维成像的方法并存在各自的问题：(1)采用增加投影的结构光条纹数量的方法，当投影条纹的数量越多，单条投影条纹的宽度就越窄，受成像装置自身的成像分辨率和物体本身凹凸起伏前后遮挡的限制，当条纹数量过多或者单条结构光条纹宽度过窄时，造成计算机识别非常困难，后续处理复杂。(2)采用移动光学三维成像装置或移动被测物体的方法，需要较大体积且精度很高的机械扫描装置，导致整个成像系统的体积庞大、结构复杂，成本很高。(3)采用旋转摆镜改变投影装置投影光路或者成像装置接收光路的方法，由于附加了光学扫描装置，系统结构复杂。(4)采用插值细分的方法，后续处理复杂，且插值所获得的数据与实际数据有一定的误差。(5)采用相位移法虽然也能够获取高解析度的三维面形，但是需要已知参考面的相位，求解运算过程非常复杂，存在交越误差。

经对现有技术的文献检索发现，刊登在《Optical Engineering》(光学工程)42(12)(2003)，3595-3599上的文章“High speed three-dimensional profilometryutilizing laser diode arrays”(基于激光阵列的高速三维面形成像的方法)，曾提出这样一种面阵条纹投影装置：以一百个激光器分成平行的五排，每排二十个激光器以纵向中心间距十毫米排列，五条柱面镜平行安装在每排激光器阵列的中心线上，横向每间隔两排的激光器偏移两毫米，投影装置分别以三个、十个或二十五个为一组同时点亮发出三条、十条或二十五条平行的线激光，从而依次开/关一百个激光器，并利用光学三角测量的方法获取被测物体表面三维信息，在1秒钟内能实现解析度为100线的三维成像。但是，上述装置结构较为复杂，对激光器本身质量及其安装要求很高，装置制造和加工困难，成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，使其实现对被测物体的高解析度三维成像，可用于设计和制造结构简单、体积小、信息处理简单和成本较低的高解析度三维面形传感器。

本发明是通过以下技术方案方法实现的，本发明包括以下步骤：

1)采用平行移动面阵条纹的扫描方式，投影仪生成的投影图像中的面阵条纹是黑白相间的二值结构光条纹阵列；

2)投影图像中的单条结构光条纹宽度为B，前后相邻两条结构光的间隔为W，面阵条纹按步距b和步进频率f沿投影仪的垂直扫描方向步进平行移动，其中B、W和b的单位为投影仪沿该扫描方向上的单个象素；

3)预先计算出摄像机在三维成像的有效视场范围内的分辨率和投影图像中结构光条纹宽度B、间隔W和步距b在三维成像的有效视场范围内经投影放大后的尺寸；

4)在三维成像的有效视场范围内，投影仪生成的结构光条纹宽度B、间隔W和步距b经投影放大后的尺寸大于等于摄像机在结构光条纹宽度方向上的最低分辨率；

5)在三维成像的有效视场范围内，面阵条纹充满摄像机的视场，摄像机按频率F序列拍摄被测物体表面上的步进频率为f的变形条纹图像，经图像采集卡按频率F序列采集到计算机，利用光学三角测量的手段，获取变形条纹对应的三维坐标值；摄像机拍摄频率F是面阵条纹步进频率f的两倍以上；

6)累积计算来实现对被测物体的高解析度三维成像。

在三维成像的有效视场范围内，摄像机摄取的投影结构光条纹，从摄取的第一帧图像中最下方的完整的结构光条纹开始计数编码，结构光条数和结构光条纹平行移动直至重合需要步进的次数，两者乘积决定三维成像的最高解析度。面阵条纹的步距b最小为投影仪在该扫描方向上的一个象素。

投影仪自身刷新频率是摄像机拍摄频率F的两倍以上。

当摄像机摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，计算机依次提取二维图像中黑色结构光条纹的中心线，以此作为三角测量时的计算识别对象。

当摄像机摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，二维图像中黑色结构光宽度超过5个象素时，可根据需要，计算机依次提取结构光条纹沿步进方向黑色部分一侧的边缘线，以此作为三角测量时的计算识别对象。

本发明可根据需要，投影仪向被测物体投影的面阵条纹可以是循环周而复始的。

本发明采用投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，采用计算机控制投影仪和摄像机，投影仪向被测物体投影有一定宽度的面阵条纹，并按一定的速度沿投影仪垂直扫描方向步进平行移动面阵条纹，每条结构光条纹及其每次步进都能够被识别和区分，从而提高了计算机对变形后的结构光条纹识别和区分的能力，降低了高解析度成像的难度和计算机的信息处理量，系统机构简单、体积小、实现容易、成本较低，应用范围广，且系统的三维空间采样精度和成像效率大幅提高。

附图说明

图1为本发明的基本原理示意图。

图2为本发明的投影图像中面阵条纹平行移动的基本原理示意图。

图3为本发明采用的投影图像中结构光阵列相邻两条结构光经过n次步进平移后，相邻的后一条结构光率先覆盖摄像机在t时刻摄取图像时，前一条结构光在投影图像中所处位置的过程。

图4为本发明采用的投影图像中结构光阵列不相邻两条结构光经过n次步进平移后，不相邻的后一条结构光率先覆盖摄像机在t时刻摄取图像时，前一条结构光在投影图像中所处位置的过程。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明的基本原理示意图，计算机控制投影仪和摄像机，投影仪发出投影图像投影到被测物体上，在投影图像中的面阵条纹按步进频率f平行移动。当平行的面阵条纹投影到被测物体上时发生变形。摄像机摄取变形后的面阵条纹的图像，并通过图像采集卡采集到计算机。投影仪可采用普通的液晶投影仪等。摄像机可采用普通的CCD摄像机或者CMOS摄像机等。在投影仪和摄像机两者的视场交汇区域为三维成像的有效视场。在三维成像的有效视场范围内，摄像机摄取的投影结构光条纹，从摄取的第一帧图像中最下方的完整的结构光条纹开始计数编码，结构光条数和结构光条纹平行移动直至重合需要步进的次数，两者乘积决定三维成像的最高解析度。面阵条纹的步距b最小为投影仪在该扫描方向上的一个象素。投影仪自身刷新频率是摄像机拍摄频率F的两倍以上。

计算机依次提取二维图像中黑色结构光条纹的中心线，以此作为三角测量时的计算识别对象。同时，当摄取图像中黑色结构光宽度超过5个象素时，计算机依次提取结构光条纹沿步进方向黑色部分一侧的边缘线，以此作为三角测量时的计算识别对象。利用光学三角测量的手段，获取和累积三维数据，从而实现对被测物体的高解析度三维成像。

如图2所示，为本发明的投影图像中面阵条纹平行移动的基本原理示意图，投影仪生成的投影图像中的面阵条纹是黑白相间的二值结构光条纹阵列，投影图像中的面阵条纹与投影仪水平扫描方向平行，在t时刻的结构光条纹1经过1/f时刻后步进距离为b，即面阵条纹按步进频率f和步距b沿投影仪垂直扫描方向作步进平行移动。预先计算出摄像机在三维成像的有效视场范围内的分辨率和投影图像中结构光条纹宽度B、间隔W和步距b在三维成像的有效视场范围内经投影放大后的尺寸。在三维成像的有效视场范围内，投影仪生成的结构光条纹的宽度B、间隔W和步距b大于等于摄像机在结构光宽度方向上的最低分辨率，从而保证每条结构光条纹及其每次步进都能够被识别和区分。

如图3所示，是本发明采用的投影图像中结构光阵列相邻两条结构光经过n次步进平移后，相邻的后一条结构光率先覆盖摄像机在t时刻摄取图像时，前一条结构光在投影图像中所处位置的过程。当满足宽度B和间隔W的和是步距b的整数n倍时，投影图像中结构光阵列相邻两条结构光条纹按步进频率f和步距b沿投影仪垂直扫描方向经过n次步进平移后，后一条结构光条纹覆盖前一条结构光条纹在投影图像中所处位置，即在t+n/f时刻结构光条纹2覆盖在t时刻结构光条纹1在投影图像中所处位置，从而实现对被测物体n次细分的三维成像。

图4所示，是本发明采用的投影图像中结构光阵列不相邻两条结构光经过n次步进平移后，不相邻的后一条结构光率先覆盖摄像机在t时刻摄取图像时，前一条结构光在投影图像中所处位置的过程。当不满足宽度B和间隔W的和是步距b的整数n倍时，当投影仪向被测物体投影的面阵条纹是循环周而复始的，投影图像的象素个数是固定值时，投影图像中结构光阵列不相邻两条结构光条纹按步进频率f和步距b沿投影仪垂直扫描方向经过n次步进平移后，后一条结构光条纹覆盖前一条结构光条纹在投影图像中所处位置，即在t+n/f时刻结构光条纹N+1覆盖在t时刻结构光条纹1在投影图像中所处位置，从而实现对被测物体n次细分的三维成像。

由于黑白相间的二值结构光条纹阵列比线激光更易识别，当投影仪向被测物体投影30条结构光条纹，每条结构光宽度为10个象素，前后相邻两条结构光的间隔为10个象素，面阵条纹按步进频率12.5Hz沿投影仪垂直扫描方向以步进平行移动，每次步距为4个象素，摄像机和图像采集卡按每秒25帧的速度采集，在摄取图像中的结构光宽度和间隔大于等于5个象素且每次步距都大于等于摄取图像的2个象素，即结构光条纹的宽度、间隔和步距能够被计算机识别时，则本发明在0.4秒钟内三维成像的空间采样解析度为300线。当三维成像的时间进一步增加，或者面阵条纹数进一步增加时，本发明能实现像元级三维成像。与同等条件下采用激光阵列的高速三维面形成像的方法相比，本发明的成像效率和采样精度是其3倍以上，同时大幅降低了高解析度三维成像装置的复杂度，且计算机容易识别和区分变形后的结构光条纹。

Claims (8)

1、一种投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用平行移动面阵条纹的扫描方式，投影仪生成的投影图像中的面阵条纹是黑白相间的二值结构光条纹阵列；

2)投影图像中的单条结构光条纹宽度为B，前后相邻两条结构光的间隔为W，面阵条纹按步距b和步进频率f沿投影仪的垂直扫描方向步进平行移动，其中B、W和b的单位为投影仪沿该扫描方向上的单个象素；

3)预先计算出摄像机在三维成像的有效视场范围内的分辨率和投影图像中结构光条纹宽度B、间隔W和步距b在三维成像的有效视场范围内经投影放大后的尺寸；

4)在三维成像的有效视场范围内，投影仪生成的结构光条纹宽度B、间隔W和步距b经投影放大后的尺寸大于等于摄像机在结构光条纹宽度方向上的最低分辨率；

5)在三维成像的有效视场范围内，面阵条纹充满摄像机的视场，摄像机按频率F序列拍摄被测物体表面上的步进频率为f的变形条纹图像，经图像采集卡按频率F序列采集到计算机，利用光学三角测量的手段，获取变形条纹对应的三维坐标值；摄像机拍摄频率F是面阵条纹步进频率f的两倍以上；

6)累积计算来实现对被测物体的高解析度三维成像。

2、根据权利要求1所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，在三维成像的有效视场范围内，投影仪生成的结构光条纹宽度B、间隔W和步距b经投影放大后的尺寸大于等于摄像机在结构光条纹宽度方向上的最低分辨率。

3、根据权利要求1所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，在三维成像的有效视场范围内，从摄像机摄取的第一帧图像中，面阵条纹平行移动最前方的第一条完整的结构光条纹开始计数编码，结构光条数和结构光条纹平行移动直至重合需要步进的次数，两者乘积决定三维成像的最高解析度。

4、根据权利要求1或者2所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，投影图像中的面阵条纹的步距b最小为投影仪在该扫描方向上的一个象素。

5、根据权利要求1所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，投影仪自身刷新频率是摄像机拍摄频率F的两倍以上。

6、根据权利要求1或者2所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，当摄像机摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，计算机依次提取二维图像中黑色结构光条纹的中心线，以此作为三角测量时的计算识别对象。

7、根据权利要求1或者6所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，当摄像机摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，二维摄取图像中黑色结构光宽度超过5个象素时，计算机依次提取结构光条纹沿步进方向黑色部分一侧的边缘线，以此作为三角测量时的计算识别对象。

8、根据权利要求1所述的投影仪生成平移面阵条纹实现高解析度三维成像的方法，其特征是，或者投影仪向被测物体投影的面阵条纹是循环周而复始的。