专利名称：一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法
技术领域：
本发明属于光学三维传感技术领域，具体涉及一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法。
背景技术：
基于结构光照明的光学三维传感技术在工业检测、质量控制、机器视觉、影视特技 和生物医学等领域有广泛的应用。该技术的关键之一是投影平面与摄像机像面对应点的匹 配，通常利用颜色、灰度、光栅相位或利用上述参数编码的符号或符号序列等实现对应点匹 配。已有的结构光照明三维传感技术，按是否与颜色有关，可分为基于颜色和基于灰 度的编码方案；按用于编码的参数不同，可分为正弦光栅相位编码方案(又称正弦条纹投 影方案)和光强编码方案。相位编码方案主要有相位测量轮廓术(DMP)和傅立叶变换轮廓术(FTP)等。相位 编码方案中需要获取光栅的绝对相位才能实现对应点匹配，则物体的三维形貌和空间位置 都可以被测量。目前常见的绝对相位获取方法有(1)空间相位展开法。投影单一频率的光栅，由某一相位展开起始点开始，采用适 当的算法进行相位展开；(2)时间相位展开法。投影两个以上不同频率的光栅，利用这些光栅相位之间的关 系进行相位展开；(3)利用辅助的编码图案确定光栅条纹级次，展开相位。第(3)种方法中又有单幅和多幅编码图案之分。采用多幅编码图案可以获得可靠 的测量结果，解码方法简单，但测量时间较长；而采用单幅编码图案可提高测量速度，但通 常解码算法复杂，可靠性相对低。
发明内容
本发明提供了一种采用单幅辅助编码图案的方法，它结合相位编码方案中截断相 位分布特点及编码图案变形特点，使用3值灰度编码，提高解码可靠性，并且简化了解码算 法。即采用正弦光栅或罗奇光栅图案加一幅空间灰度编码图案的方法实现绝对相位测量， 进而计算出物体的三维形貌和空间位置。本发明的具体技术路线是一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法，包括以下步骤1)、一配备光栅的投影仪向物体投射结构光图案；2)、一摄像机在另一位置拍摄被物体反射回来的变形图像；3)、对物体反射回来的变形图像进行解析，获得与摄像机像面上的点对应的投影 平面上点的坐标；
4)、根据几何关系计算出物体测量点坐标进行三维重构，获得物体三维图像；其特征在于步骤1)所述的结构光图案包含光栅图案和空间灰度编码图案，该空间灰度编码图案由以下步骤构建A)、空间灰度编码图案由若干与光栅条纹对应的条带构成，条带的宽度与条纹周 期相同；B、利用条带中沿条带方向的灰度值变化规律确定一组编码符号；C)、由这组编码符号构建的伪随机序列确定空间灰度编码图案。所述的伪随机序列构建方法包含以下步骤a)、从指定的一组编码符号中随机选取个数等于窗口长度的编码符号，构成初始 序列；b)、从该组编码符号中随机选取1个符号，添加到已构建的序列后形成新序列；c)、判断该新序列是否满足以下条件；大于等于窗口长度的子序列是唯一的，在任意等于窗口长度的子序列内无重复编码符号，如符合，则检查整个序列长度是否不小于光栅条纹数，如果满足，构建结束，否则 转b)步，如不符合，则删除刚添加的编码符号，转b)步。所述空间灰度编码图案的灰度值包含3级。图1为光栅投影三维测量系统示意图。它由投影仪和摄像机构成。0p、Oc分别为 投影仪和摄像机光心，(Xp。，yp。)、(X。。，yc0)分别为投影仪和摄像机主点的图像坐标。Pp、P。 为一对投影平面和摄像机像面的对应点。P为物体表面上的测量点，其坐标为(XW，YW，ZW)。 由投影仪投出正弦光栅或罗奇光栅，摄像机在另一位置拍摄被物体表面反射回来的变形条 纹。通过求解拍摄到的图像绝对相位，获得与摄像机像面上的点对应的投影平面上点的坐 标。最后在由P0。0p构成的三角形中，根据几何关系计算出P点坐标，进而恢复出物体三维 形貌和空间位置。灰度空间编码图案的基本设计思想是首先将灰度空间编码图案划分成若干与投影条纹对应的条带，条带的宽度与条纹 周期相同，即一条条带对应条纹的一个周期。利用条带中沿条带方向的灰度分布规律来编码一组符号。然后用由这组符号构成的伪随机序列来确定图案的总体结构。其中，伪随机序列应满足如下条件(1)在序列中，大于等于特定长度(称为窗口长度)的子序列是唯一的；(2)在任意长度等于窗口长度的子序列内无重复符号。比如窗口长度为4的序列 “ABDECFADBE FDBECDABFECBDEFBDCEABCDAECFBDE ”。符号的编码方法为根据沿条带方向灰度是否有变化、灰度值及变化幅值等规律 进行编码。例如，采用3级灰度进行编码，表示为0，1，2。沿条带方向灰度无变化，也可以 认为变化规律为0-0，1-1，2-2，每种灰度值编码一个符号，可以编码3个符号。沿条带方 向灰度周期性二值变化，根据这两个变化的灰度值不同，可以编码3个符号，分别是0-1，0-2，1-2 二值变化。综合上述两类情况，一共可以编码6个符号，可以分别表示为A(0-0)， B(1-1)，C(2-2)，D(0-1)，E(0-2)，F(1-2)。图2为编码图案举例，由相邻的相位跳变绝对值超过η的点连接而成的光栅相位 跳变线位于条带中心。本发明采用的解码算法方案如下实际测量获得的编码图案如图3所示，图中颜色较亮的线为跳变线。由于相位跳 变线位于条带中心，其灰度受相邻条带影响较小，而且条带随跳变线变形而变形。正弦光栅 条纹对应的编码可以通过分析跳变线上编码图案灰度变化情况确定。解码算法如下(1)去除物体表面反射率对编码图像的影响；(2)根据阈值对编码图像进行三值量化；(3)沿跳变线计算灰度直方图，某一灰度的点所占比例大于阈值，就确认该灰度存 在；(4)根据编码规则恢复代码。
图1为本发明光栅投影三维成像系统示意2为本发明举例的编码图案示意3为本发明举例的实际测量编码图案示意4为本发明正弦及编码光栅示意5为本发明人脸表情变化测量结果示意6为本发明复杂场景测量结果示意图
具体实施例方式实施例1一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法，包括以下步骤1)、一配备光栅的投影仪向物体投射结构光图案；2)、一摄像机在另一位置拍摄被物体反射回来的变形图像；3)、对物体反射回来的变形图像进行解析，获得与摄像机像面上的点对应的投影 平面上点的坐标；4)、根据几何关系计算出物体测量点坐标进行三维重构，获得物体三维图像；其特征在于步骤1)所述的结构光图案包含光栅图案和空间灰度编码图案，该空间灰度编码图案由以下步骤构建A)、空间灰度编码图案由若干与投影条纹对应的条带构成，条带的宽度与条纹周 期相同；B、利用条带中沿条带方向的灰度值变化规律确定一组编码符号；C)、由这组编码符号构建的伪随机序列确定空间灰度编码图案。所述的伪随机序列构建方法包含以下步骤a)、从指定的一组编码符号中随机选取个数等于窗口长度的编码符号，构成初始序列；
b)、从该组编码符号中随机选取1个符号，添加到已构建的序列后形成新序列；c)、判断该新序列是否满足以下条件；大于等于窗口长度的子序列是唯一的，在任意等于窗口长度的子序列内无重复编码符号，如符合，则检查整个序列长度是否不小于光栅条纹数，如果满足，构建结束，否则 转b)步，如不符合，则删除刚添加的编码符号，转b)步。所述空间灰度编码图案的灰度值包含3级。具体实验步骤如下根据投影仪的像素列数、光栅周期计算伪随机序列长度，采用前述方法构造伪随 机序列；根据前述的空间灰度编码图案编码方法，设计与每个符号对应的编码条带；按照构造的代码序列，将编码单元按顺序排列，最后得到与伪随机序列对应的编 码图案；将设计得到的光栅和编码图案投影到被测物体上，并同时用摄像机拍摄被物体形 貌调制的变形光栅和编码图案；在投影完所有图案后，求解光栅的截断相位，并结合得到的截断相位将拍摄到的 编码图案解码，计算绝对相位，最后得到物体的三维形貌和空间位置。采用窗口长度为3的序列“ABDECFACDCEFBEADraBCAEDAFDBFCBADEFCABEDC F”，符号用 3 值灰度编码。首先 用η相移傅立叶变换轮廓术结合编码图案进行动态过程测量实验，光栅周期为18像素。记 录速度为每秒60帧三维数据。图4(a)、图4(b)、图4(c)为设计的一套光栅，图4(a)为正 弦光栅，图4(b)为π相移后的正弦光栅，图4(c)为编码光栅。图5为笑过程中人脸变化测量结果。然后采用五步相移法结合编码图案测量了由 若干孤立物体组成的场景。图6 (a)为被测场景照片，其中墙和石膏像距离约690mm ；图6 (b) 为测量结果；图6(c)为去除墙后的结果。可见采用本方法能够可靠地测量复杂场景的三维 形貌和空间位置，并有较大的测量景深。
权利要求
一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法，包括以下步骤1)、一配备光栅的投影仪向物体投射结构光图案；2)、一摄像机在另一位置拍摄被物体反射回来的变形图像；3)、对物体反射回来的变形图像进行解析，获得与摄像机像面上的点对应的投影平面上点的坐标；4)、根据几何关系计算出物体测量点坐标进行三维重构，获得物体三维图像；其特征在于步骤1)所述的结构光图案包含光栅图案和空间灰度编码图案，该空间灰度编码图案由以下步骤构建A)、空间灰度编码图案由若干与光栅条纹对应的条带构成，条带的宽度与条纹周期相同；B)、利用条带中沿条带方向的灰度值变化规律确定一组编码符号；C)、由这组编码符号构建的伪随机序列确定空间灰度编码图案。
2.根据权利要求1所述的光学三维测量方法，其特征在于所述的伪随机序列构建方法 包含以下步骤a)、从指定的一组编码符号中随机选取个数等于窗口长度的编码符号，构成初始序列；b)、从该组编码符号中随机选取1个符号，添加到已构建的序列后形成新序列；c)、判断该新序列是否满足以下条件； 大于等于窗口长度的子序列是唯一的，在任意等于窗口长度的子序列内无重复编码符号， 如符合，则检查整个序列长度是否不小于光栅条纹数， 如果满足，构建结束，否则转b)步， 如不符合，则删除刚添加的编码符号，转b)步。
3.根据权利要求1所述的光学三维测量方法，其特征在于所述空间灰度编码图案包含三级灰度值。
全文摘要
本发明属于光学三维传感技术领域，具体涉及一种采用绝对相位测量的光学三维测量方法。本发明提供了一种采用单幅辅助编码图案的方法，它结合相位编码方案中截断相位分布特点及编码图案变形特点，使用3值灰度编码，提高解码可靠性，并且简化了解码算法。即采用正弦光栅或罗奇光栅图案加一幅空间灰度编码图案的方法实现绝对相位测量，进而计算出物体的三维形貌和空间位置。
文档编号G01B11/25GK101806587SQ20101016197
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者李勇, 王辉, 赵翠芳, 金可有, 金洪震, 钱义先 申请人:浙江师范大学