基于二值相移图案的三维测量方法
【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二值编码图案对目标物体表 面的三维测量。
【背景技术】
[0002] 目前，结构光测量技术是高精度三维重建的主流技术。其中，相位测量轮廓术 (Phase Measuring Profilometry，简称PMP)是一种经典的结构光三维测量方法，具有测 量精度高、对环境光和被测物体纹理等干扰因素不敏感的优点。PMP采用具有相移的正弦 结构光图案序列，利用捕捉到的图像序列计算相位，并通过相位信息获取被测物体表面的 三维坐标。然而，PMP有以下缺点，首先，由于PMP采用正弦灰度图案，系统非线性将导致 测量误差，为了减少该误差，需要进行繁琐的非线性校正；其次，目前投影设备投影二值图 案的帧率远远高于投影灰度图案的帧率，而PMP采用灰度图案，故其扫描速度受到限制， 不利于实时三维测量。为了克服PMP的上述缺点，论文"Lei S，Zhang S. Flexible 3-D shape measurement using projector defocusing[J]. Optics Letters, 2009, 34(20): 3080-3082"介绍了基于二值图案的离焦测量方法，该方法用二值相移图案替代PMP中的正 弦相移图案，通过对投影设备离焦使捕捉图像的亮度满足近似正弦分布，最后用相位测量 轮廓术的相位计算公式得到相位。但现有基于二值图案的离焦测量方法由于需要使投影 设备离焦，有以下缺点：1)投影亮度的动态范围缩小，导致捕捉图像的信噪比降低；2)离焦 后无法使用常规标定方法，系统标定的复杂程度增加。3)该方法对被测物体深度的变化敏 感。如何既能发挥二值图案扫描速度快、无需非线性校正的优点，又能克服投影设备离焦带 来的缺点，应用本发明提及的方案就可以解决这一关键技术问题。
【发明内容】
[0003] 本发明针对基于二值图案的离焦测量方法图像信噪比低、系统标定复杂、对深度 变化敏感的缺陷，提出一种基于二值相移图案的三维测量方法，该方法无需使投影设备离 焦，所以不仅能克服离焦导致的上述缺陷，还继承了二值图案扫描速度快、无需非线性校正 的优点。
[0004] 本发明的目的是采用下述技术方案来实现的： 使用已对焦的投影设备和摄像装置，用投影设备向被测物体投影多组用空间方波编码 的二值图案序列，每组图案具有一个特定空间频率，其中一组图案的空间频率为1，每组图 案中相邻图案之间存在固定相移量，总相移量为一个周期，用摄像装置记录下对应的图像 序列，把相位测量轮廓术的相位计算公式分别应用于不同频率的图像，得到基频相位和多 个高频截断相位，根据时间相位展开方法得到绝对相位，根据相位和系统标定参数确定被 测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： 由于本发明采用二值图案，能实现高速三维测量，以及无需非线性校正。同时，由于本 发明无需离焦，与现有基于二值图案的离焦测量方法相比，能达到更高的信噪比，系统标定 更简单，能精确测量深度变化大的场景。
【附图说明】
[0006] 图1为本发明基于二值相移图案的三维测量方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0007] 采用的装置有1台CASIO XJ-M140投影机，投影机缓存帧大小为8_X'600像素， 灰度量化等级为8bit ;1个Prosilica GC650工业摄像头，分辨率为640 V 4幻)像未，灰度 量化等级为8bit。1台具有Core i3 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。附图1为本实施例基于二值相移图案的三维测量方法的工作流程 图。本实例具体实施步骤如下： (1)对摄像头和投影机调焦，使其准确对焦。
[0008] (2)对摄像头和投影机进行标定，分别得到摄像头与投影机大小为擾_!的投影矩 阵
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[0009] (3)生成二值相移图案。二值相移图案是由正弦相移图案生成。正弦相移图案可 以表示为：
(1) 其中，：
丨为正弦相移图案在
丨处的灰度值，/为图案的空间频率，截费表 示投影机空间的高度，Λ为相移总步数，/7为相移系数，#和鮮为常数，满足___。本 实例正弦结构光图案的参数为二逆5 = _127,5，相移总数展40,按空间频率分为5组，各 组图案的空间频率分别取/=1、2、10、32、64。从正弦图案转换为二值图案的公式为：
(2) 其中，
I表示二值相移图案在
处的灰度值。
[0010] (4)对目标物体进行结构光扫描。用投影机把上述5组结构光图案序列||依次 投射到目标物体表面，并用一个摄像头对目标场景进行同步拍摄。拍摄到的结构光图像序 列表示为
：表示摄像头空间坐标，表示相移系数 为的摄像头图像在像素点
处的灰度值。
[0011] (5)用拍摄到的结构光图像
丨解码得到相位。计算相位的公式为： CN 105157614 A 说明书 3/3 页
(3) 把公式（3)分别应用于具有不同频率的拍摄图像组，计算出基频相位和未展开的高 频相位，然后通过时间相位展开法用基频相位依次对高频相位进行展开，最终得到展开后 的准确相位。多频相位展开的具体方法在技术报告"Yalla V G, Hassebrook L G. Very high resolution 3D surface scanning using multi-frequency phase measuring profilometry[C]//Defense and Security. International Society for Optics and Photonics, 2005: 44-53" 中有详细介绍。
[0012] (6)根据相位以及系统标定参数和可以计算出被测物体表面的三维坐 标。具体计算方法在论文"Li J, Hassebrook L G, Guan C. Optimized two-frequency phase-measuring-profilometry light-sensor temporal-noise sensitivity[J]. JOSA A, 2003, 20(1): 106-115." 中有详细介绍。
[0013] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于二值相移图案的三维测量方法，其特征在于使用已对焦的投影设备和摄像 装置，用投影设备向被测物体投影二值相移图案序列，用摄像装置记录下对应的图像序列， 用相位测量轮廓术的相位计算公式得到图像序列的相位，根据相位和系统标定参数确定被 测物体表面的三维坐标。2. 根据权利要求1所述的二值相移图案序列，其特征是：图案用空间周期方波信号进 行编码，图案具有两个亮度级，为投影机的最低亮度和最高亮度。3. 根据权利要求1所述的二值相移图案序列，其特征是：图案序列分为多组，每组图案 具有一个特定空间频率，其中一组图案的空间频率为1，每组图案中相邻图案之间存在固定 相移量，总相移量为一个周期，相移次数至少为3。4. 根据权利要求1所述的用相位测量轮廓术的相位计算公式得到图像序列的相位，其 特征是：把相位测量轮廓术的相位计算公式分别应用于不同频率的图像，得到基频相位和 多个高频截断相位，根据时间相位展开方法得到绝对相位，这些操作的目的是利用展开高 频相位抑制相位误差，从而获得尚精确度的相位彳目息。
【专利摘要】本发明公开了一种基于二值相移图案的三维测量方法。使用已对焦的投影设备和摄像装置，用投影设备向被测物体投影多组用空间方波编码的二值图案序列，每组图案具有一个特定空间频率，其中一组图案的空间频率为1，每组图案中相邻图案之间存在固定相移量，总相移量为一个周期，用摄像装置记录下对应的图像序列，把相位测量轮廓术的相位计算公式分别应用于不同频率的图像组，得到基频相位和多个高频截断相位，根据时间相位展开方法得到绝对相位，根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维坐标。本发明可用于高速高精度三维测量。本发明具有无需非线性校正、扫描速度快、系统标定简单，能精确测量深度变化大的场景的优点。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN105157614
【申请号】CN201510301362
【发明人】刘凯, 龙云飞, 吴炜, 杨晓敏
【申请人】四川大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月5日