一种基于彩色正弦结构光编码的实时三维测量方法
【专利摘要】本发明是三维传感技术中一种基于彩色正弦结构光编码的实时三维测量方法。使用投影装置将单幅彩色正弦结构光编码图案投影到物体表面，使用两个摄像装置分别记录变形的彩色结构光图像，对每幅彩色结构光图像进行颜色分离得到R、G、B三个通道对应的单色结构光图像，并由单色结构光图像计算出两个摄像装置各自的相位，利用两个摄像装置的极线约束关系进行相位匹配从而获取物体表面瞬时的三维坐标。本发明能实现实时三维测量。本发明方法具有对颜色亮度不平衡、颜色通道耦合、投影设备非线性等干扰因素鲁棒性好，测量精确度高等优点。
【专利说明】一种基于彩色正弦结构光编码的实时三维测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及通过投影单幅彩色结构光编码图案实现对目标物体表面的实时三维测量。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种实时光学三维测量方法。实时三维测量技术能测量静止物体和运动物体表面的三维数据，基本不受被测物体运动状态的限制。相位测量轮廓术(phasemeasuring profilometry, PMP)是一种经典的主动式三维测量方法,但该方法需要向目标物体投射3幅或3幅以上具有相移的正弦结构光图案，难以满足实时性要求。Peisen
S.Huang 等人在论文“Color-encoded digital fringe projection technique forhigh-speed three-dimensional surface contouring[J].0ptical Engineering, 1999,38(6): 1065-1071”中提出把PMP中的3幅具有相移的正弦结构光图案分别用一幅彩色图案的R、G、B三个颜色通道来表示，这样就只需投射一幅彩色图案，能较好地满足实时性要求。该方法首先用一个投影机向目标物体投射一幅彩色编码的结构光图案，其3个颜色通
道分别是相位间隔的3幅高频正弦结构光图案；其次，用一个彩色摄像头拍摄投影场
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景，并对摄像头图像进行颜色分离得到3幅灰度结构光图像，在颜色分离过程包含了颜色耦合补偿和颜色亮度均衡化的操作；最后用这3幅灰度结构光图像计算出包裹相位，又采用空间相位展开法得到 绝对相位；利用绝对相位求出摄像头与投影机的对应关系，进而利用三角原理获得目标物体的三维坐标。其方法主要存在以下缺陷:(1)测量精确度有限。相位测量受到颜色亮度不平衡、颜色通道耦合、投影机非线性、环境噪声等不利因素影响，虽然对颜色亮度不平衡、颜色通道耦合进行了补偿，但仍然不可避免存在误差，所以得到的相位以及三维数据精确度不高。(2)空域相位展开法适用条件较为苛刻，如目标物体不连续的几何表面可能导致相位展开错误。如何在保证实时性的同时，又能达到三维测量的较高精确度和稳定性，应用本发明的提及的方案就可以解决这一关键问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对目前基于彩色正弦结构光编码图案的三维测量方法抗干扰能力弱、测量精确度低、相位展开不稳定的缺陷，提供一种把彩色编码的相位测量轮廓术与被动立体视觉相结合的实时三维测量方法，该方法在保证实时性的同时，能达到较高的三维测量精度。
[0004]本发明的目的是采用下述技术方案来实现的:
使用投影装置，将单幅正弦结构光彩色编码图案投影到物体表面，该彩色图案R、G、B
三个通道图案均为基频正弦结构光图案，相邻通道图案之间的相位差为$并，使用两个摄
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像装置分别同时记录变形的彩色结构光图像，对每幅彩色结构光图像进行颜色分离得到R、G、B三个通道对应的单色结构光图像，根据相位测量轮廓术公式用分离出的三幅结构光图像计算每个摄像装置的相位，由摄像装置标定参数得到两摄像装置之间的极线约束关系，用两摄像装置的极线约束关系进行相位匹配得到两摄像装置对应点坐标，最后根据两摄像装置的标定参数和坐标对应关系计算出目标物体表面的三维坐标。
[0005] 本发明与现有技术相比有如下优点:
本发明能达到实时高精度的三维测量。由于本发明用相位匹配的方法获取两摄像头之间的对应关系，在两个摄像头硬件条基本相同的情况下，颜色亮度不平衡、颜色通道耦合、投影机非线性等因素对两摄像头对应点相位的影响也基本相同，从而上述干扰因素对相位匹配的准确性影响较小，所以与现有基于单摄像头的颜色编码相位测量轮廓术相比，本发明对颜色亮度不平衡、颜色通道耦合、投影机非线性等干扰因素的鲁棒性更好，能达到更高的三维测量精确度。同时本发明使用基频正弦结构光图案，避免了空间相位展开可能出现的不稳定问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1为本发明三维测量系统结构图。
[0007]图2为本发明三维测量方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。
[0009]附图1为本发明三维测量系统结构图。采用的装置有I台CASIO XJ-M140投影机，投影机缓存帧大小为800 X 600像素，投影机最大输出频率为150帧/s ;2个ProsilicaGC650工业摄像头，分辨率为640 X 480像素，摄像头最大捕捉频率为62帧/S。I台具有Core ?3 3530 CPU，4GB内存的计算机。由计算机对结构光投影和拍摄过程进行控制。
[0010]附图2为本实施例基于彩色正弦结构光编码的实时三维测量方法工作流程图。本实例具体实施步骤如下:
(I)对两个摄像头进行标定，得到两摄像头大小为3x4的投影矩阵M1和Ji2。
[0011](2)生成彩色正弦结构光编码图案。其中R、G、B三个通道的单色图案可以分别表示为:
【权利要求】
1.一种适用于三维传感技术测量中使用单幅彩色正弦结构光编码图案和极线匹配技术的实时光学三维测量方法，其特征在于使用投影装置，将单幅彩色正弦结构光编码图案投影到物体表面，使用两个摄像装置分别记录变形的彩色结构光图像，对每幅彩色结构光图像进行颜色分离得到R、G、B三个通道对应的单色结构光图像，用彩色结构光图像对应的三幅单色结构光图像根据相位测量轮廓术公式计算出两个摄像装置各自的相位，根据两个摄像装置的极线约束关系进行相位匹配从而获取物体表面瞬时的三维坐标。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的彩色正弦结构光编码图案，是指R、G、B三个通道均为基频、有相同直流分量和振幅的正弦结构光图案，且相邻通道图案之间的
相位差为:2/3π
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的相位匹配，是指对摄像装置I的相位图上的一点a，根据极线约束关系在摄像装置2的相位图上确定对应极线，并在该极线上搜索出与a相位值近似相等的相位所在位置，对摄像装置I相位图上的所有像素点均按上述方法操作，得到摄像装置I与摄像装置2的坐标对应关系。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于用相位匹配得到两个摄像装置的坐标对应关系，进而根据摄像头标定参数和三角原理获得目标物体的三维坐标。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于需要对两个摄像头进行标定，并由像头标定参数得到两摄像头之间的极线约束关系，而不需要对投影装置进行标定。
【文档编号】G01B11/25GK103968782SQ201410220705
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】刘凯, 龙云飞 申请人:四川大学