三维扫描系统中的快速相位展开方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相位轮廓测量法的三维扫描系统中的快速相位展开方法，主要解决现在相位展开速度慢和精确度不高的问题。其实现步骤为：（1）设计系统中所需投影的三幅光栅相移图像模板T1,T2,T3，该模板中含有像素点的周期信息；（2）用投影仪依次将这三幅光栅相移图像T1,T2,T3投射到目标物体上，并通过摄像机拍摄经目标物体调制的变形光栅相移图像U1,U2,U3；（3）根据该相移图像U1,U2,U3的数学关系，求解出每幅图像中每个像素点的截断相位及周期信息，进而得到每个像素点的相位展开值。本发明具有实现简单、准确性和鲁棒性高、速度快的优点，可用于逆向工程、人机互动、文物三维重建等领域。
【专利说明】三维扫描系统中的快速相位展开方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维信息重构【技术领域】，主要涉及一种三维扫描系统中的相位展开方法，可用于人机互动、逆向工程、文物三维重建。
【背景技术】
[0002]随着科学技术以及人们生活水平的提高，三维信息的获取成为当前人们研究的热点。特别是结构光深度信息获取方法作为一种非接触式的三维视觉测量技术，在人机互动、医学诊断、逆向工程、数字化建模、文物三维重建等多个领域有着广泛的应用。
[0003]基于结构光的深度测量方法的原理是投影仪将结构光图案投射到待测物体上，并用与投影方向成一定角度的摄像机记录下投影的图像，将所拍图像与所投影的结构光图案的对应点进行匹配后，利用三角测距法计算得到目标物体的深度。该方法具有原理简单、易于实现和量程大的特点，因而得到广泛应用。相位测量轮廓法作为结构光深度信息获取方法的一种，具有精度闻、抗噪强等优点。
[0004]相位轮廓测量法采用正弦光栅投影和相移技术。它投影一个正弦光栅到目标物体表面，由于目标物体深度的差异，投影到目标物体的正弦光栅会发生变形，从而使物体的深度信息被编码在光栅的形变中，光栅的变形由它相位的变化得到体现，如果能够得到某一点的相位变化值，就可以获得该点的深度信息。相位轮廓测量法的最大优点在于它计算相位是点对点的运算，即它不受相邻点光强值的影响，从而避免了物体反射率不均匀引起的误差。相位轮廓测量法的关键技术在于相位的展开，相位展开的精度以及速度直接影响到此方法的性能。最初对二维相位场的展开是在空域一维方向上仅仅依靠一些简单的规则来进行加减2 π，这样很容易出现展开错误。随后相位展开的路径扩展到二维方向，这样就可以绕过一些不可靠的区域，使相位展开的灵活性大大提高，但根据这种方法进行相位展开耗时较长，并且在实际场景中，由于噪声的干扰，由一幅截断相位图直接实现相位展开的数学方法是不完全可靠的。
[0005]为了解决这个问题，东南大学发明了一种三维扫描系统中基于格雷码的相位展开方法，专利号为200610041558.X。此发明设计了一种引入七幅逐步二分的光栅投影图案，利用格雷码的方法确定相位所在的周期，从而来进行相位展开。由于此发明需要额外的投影七幅光栅图案，其实现相对复杂。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种三维扫描系统中的快速相位展开方法，以在不增加投影光栅模板数量的情况下，对投影到目标物体上的变形光栅图像进行快速、准确的相位展开。
[0007]实现本发明目的技术方案是:对相位轮廓测量法中的三幅光栅相位模版进行改进，将模板图像中像素点的周期信息编码到模版中，并将改进后的模版投影到目标物体上，通过摄像机拍摄目标物体上变形的光栅图；根据拍摄到的光栅图案求解出每个像素点的截断相位和周期信息，进而得到每个像素点的展开相位。具体步骤包括如下:
[0008](I)设计基于相位轮廓测量法的三维扫描系统所需投影的三幅光栅相移图像Ti, T2, T3 ；
[0009](2)用投影仪P将三幅光栅相移图像T1, T2, T3依次投射到目标物体上；
[0010](3)通过摄像机C同步拍摄投影到目标物体后发生变形的三幅光栅相移图像U1, U2, U3,并传回至计算机；
[0011](4)计算机对摄像机传输的三幅光栅相移图像U1, U2, U3进行处理，即根据这三幅光栅相移图像U1, U2，U3的数学关系，求解出每幅图像中每个像素点(i，j)的截断相位饵//)及
周期标记信息p(i，j):
【权利要求】
1.一种三维扫描系统中的快速相位展开方法，包括如下步骤: (1)设计基于相位轮廓测量法的三维扫描系统所需投影的三幅光栅相移图像Ti, T2, T3 ； (2)用投影仪P将三幅光栅相移图像T1,T2, T3依次投射到目标物体上； (3)通过摄像机C同步拍摄投影到目标物体后发生变形的三幅光栅相移图像U1,U2, U3,并传回至计算机； (4)计算机对摄像机传输的三幅光栅相移图像U1,U2, U3进行处理，即根据这三幅光栅相移图像U1, U2，U3的数学关系，求解出每幅图像中每个像素点(i，j)的截断相位舛J')及周期标记信息P(i，j):
2.根据权利要求1所述的三维扫描系统中的快速相位展开方法，其中步骤(I)所述的基于相位轮廓测量法的三维扫描系统所需投影的三幅光栅相移图像T1, T2, T3,按如下步骤进行设计: 2a)设定三幅光栅相移图像模板的背景光强为Ae，调制深度为Be ； 2b)设定第k幅光栅相移图像Tk的初始相移a k分别为α 1=0, α =2 π /3，α =-2 π /3，k=l, 2，3 ； 2c)设定三幅光栅相移图像中每个像素点(x，y)的调制相位Φ (x, y)和每个像素点(χ, y)对应的周期调制的灰度值P(x, y)为:
【文档编号】G01B11/25GK103453852SQ201310405100
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月8日 优先权日:2013年9月8日
【发明者】李甫, 石光明, 石悦鑫, 高山, 李芹, 李若岱, 杨莉莉 申请人:西安电子科技大学