近距离单点结构光三维测量方法与流程

本发明涉及工业检测、文物数字化、人体测量等多个领域，特别适用于近距离目标定位的单点结构光三维测距系统。

背景技术：

1、结构光三维测量技术是一种主动三维测量技术。三维技术结构光的类型分为很多种，主要包括双目立体

2、视觉和结构光三维视觉，还有其他的三维视觉技术，如由明暗恢复形状、纹理恢复形状、激光测距、莫尔阴影与散焦测距。结构光是目前三维测量最常用的技术，结构光三维视觉是基于光学三角法测量原理。它的原理是通过投影编码好的一些图案到物体上，相机采集相应的经过物体反射的像，根据标定好的一些信息，进行三维重建。结构光将光结构化有点结构光、线结构光以及简单的面结构光等。根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式又可分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式、面结构光模式、相位法等。单点法结构光测距一次只照明一个点，计算该点的深度，由此得到的二维距离图像，需要通过逐点扫描物体进行测量。采用逐点扫描获得整个物体的三维形状，其图象摄取时间和图象处理量随被测物体的增大而急剧增加，难以完成实时三维形状检测。单点法与单线法结构光测距比较，单线法结构光测距增加了产生平面狭缝光的光学装置，只需进行一维扫描就可以得到景物的深度图象，图象摄取和处理时间与工作量大为减少。尽管如此，该方法仍然是非常低效的图象处理方法，它必须俘获并处理与不同位置光条纹相对应的系列图象以

3、得到特定场景的一幅全帧深度数据。所以单光条法的测量速度与单点法一样，在原理上受到限制。对于工业的产品测量、识别，检测来说，结构光方法是目前比较主流的方法。结构光方法拥有高精度、高密集点云、高速的优点，适用于三维重建、缺陷检测、智能抓取、人脸识别、视觉导航等一系列工作。通常结构光测量系统主要由结构光投射装置、摄像机、图像采集及处理系统组成。结构光测距将激光器或投影仪发出的光束，经光学系统形成某种形式的光,包括点、单线、多线、单圆、同心多圆、网格、十字交叉、灰度编码图案、彩色编码图案和随机纹理投影等投向景物,在景物上形成图案并由摄象机摄取，而后由图象根据三角法和传感器结构参数进行计算，得到景物表面的深度图象和三维坐标。如果有一个物体自身有高度差，相机拍摄时，就不能检测到正确的坐标。光面结构光中最常用的方法是投影光栅条纹到物体表面。当投影的结构光图案比较复杂时，为了确定物体表面点与其图像像素点之间的对应关系，需要对投射的图案进行编码，因而这类方法又称为编码结构光测量法。图案编码分为空域编码和时域编码。编码图象和编码图案对于空间中的遮挡比较敏感，易受噪声干扰，反光、照明等原因可能导致成像时部分区域等编码信息缺失；相较于时序编码结构光精度较低。在实际测量中，存在一些杂散光，在测量中属于噪声干扰。由于受景物表面特性不同而产生的模糊点影响发生译码错误，无法判断出光线的投影角，同时判断难度也增大。多灰度级编码方法尽管精度较高，但是没有用到每个相邻条纹的信息，投射图案的深度分辨率受到了限制。另外，不同灰度级边界是两种不连续区域的分界线，在拍摄到的图像上存在着亮的投影区域会向暗投影区扩散问题，影响识别的准确性。空域编码方法只需要一次投射就可获得物体深度图，适合于动态测量，但是目前分辨率和处理速度还无法满足实时三维测量要求，而且对译码要求很高。其中至关重要的一点就是系统的标定，包括系统几何参数的标定和ccd相机以及投影设备的内部参数标定，否

4、则很可能产生误差或者误差耦合。因为系统外部参数不标定则不可能由相位计算出正确的高度信息。目前结构光三维测量技术有多个分支，包括：激光扫描法、傅立叶变换轮廓术、相位测量轮廓术、彩色

5、编码条纹投影法、重复图案投射法和图案编码投射法等。其中，重复图案投射法将同一种图案重复多次投影到景物上，每次等间隔的减小条纹图案、点阵图案或网格图案。投射图案与图象图案间混淆问题严重，位置关系难以确定。现有技术比较经典的光学三维测量方法有：双目立体视觉、线激光扫描、格雷码结构光、相移结构光。立体匹配方法误匹配点较多，线激光方法扫描速度慢，相移结构光方法计算效率低，而格雷码方法基本具有以上方法的所有优势，唯一的缺点是解码精度为像素级，大大限制了测量精度的提高。在分辨率和处理速度上还不能满足三维视觉检测的要求，无法应用于具有复杂背景的环境中。

6、近年来，随着数字投影技术的发展，众多研究机构开始使用数字光学投影设备(lcd、dlp投影仪)来替代

7、物理光栅。数字投影设备体积普遍较大，在某些移动应用场合不方便使用。如使用机械手臂抓取作业时需要确定待抓取物相对于机械手臂末端执行器的位置，这时需要一种小型、低功耗的测距系统。激光光源波束发散小，指向性强，且小型激光点光源产生器体积与功耗都很小，非常适合于针孔摄像机一起组成小型近距离的结构光三维测距系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种图象摄取和处理时间与工作量少，能够提高三维测量精度、抗干扰能力和稳定性，且适用于安装在移动装置上对近距离目标进行测距的小型、低功耗近距离单点结构光测距系统及近距离单点结构光三维测量方法。

2、本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种近距离单点结构光三维测量方法，其特征在于：基于单点结构光的测距原理，以可见光波段的点状激光光源作为结构光光源，将单点激光发射器和摄像机相对固定安装在支架上，形成近距离单点结构光测距系统，然后依据摄像机ccd和光源的相对位姿，对应像素的像素坐标和焦距f确定q点的三维坐标，构建出待测物体的三维测量结构；将点状激光光束照射到目标物体上形成投影点，ccd采集相应的经过待测物体反射的图像，利用三角原理获得采样点的三维信息，确定被测物的尺寸参数，投射到待测物表面后被待测物的高度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送至计算机内分析计算，得出被测物的三维面形数据，根据标定好的一些信息，进行三维重建；计算机通过图像处理软件采集摄像机连续捕获的彩色数字图像，检测摄像机图像中激光束在目标物体上的投影点和在彩色图像中检测目标物体上投射的激光点的中心像素位置，获取待测目标物体表面的三维信息，然后利用三维测量结构的三角光测距原理，计算目标物体与测距系统坐标原点之间的距离；图像处理软件采用激光点提取算法对图像做灰度化处理后，做高斯模糊，排除白噪声对检测结果的影响，将模糊后包含激光投影点的图像与不含激光投影点的图像做差分，并对差分图像做高斯滤波滤除杂点，求取峰值；若峰值大于设定阈值，查找具有相同编码值的像素，找到激光投影点，通过滑动窗口获取每个像素的编码值，将二进制像素编码转化为十进制，同时读取出待测物面形信息的变化数据，调制空间载波信号的结构光场的相位和振幅，通过其临域获得包含了一个完整时域编码的像素数量的编码值；采用空域编码结构光重建出对应的深度图，将多个不同的投射编码图案组合起来解码，并对每段区域不断的进行二分，直至投影的编码宽度等于ccd的像素宽度，根据三角法原理计算出高度，并对其进行解调，得到被待测物高度调制相位变化的高度信息，最后，解算出待测物的面形信息。

3、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

4、本发明基于单点结构光的测距原理，用点状激光光源作为照明光源，将单点激光发射器和摄像机相对固定安装在支架上形成立体视觉的三维测量结构光测距系统，从而实现了一种使用可见光波段点状激光光源的小型结构近距离三维光测距系统，且体积小、功耗低，成本低廉，便于安装在小型移动设备上实现近距离目标测距。以可见光波段的点状激光光源作为结构光光源，只需进行一维扫描就可以得到景物的深度图象，图象摄取和处理时间与工作量大为减少。

5、本发明采用结构光测距系统依据摄像机ccd和光源的相对位姿，对应像素的像素坐标和焦距f确定q点的三维坐标，构建出待测物体的三维测量结构，将点状激光光束照射到目标物体上形成的投影点，ccd采集相应的经过待测物体反射的像，利用三角原理获得采样点的三维信息，确定被测物的尺寸参数，根据标定好的一些信息，进行三维重建；通过激光器发出的光束投射到物体上产生一个光点，光点经摄像机的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个三维点。摄像机的视线和光束在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的标定可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知坐标系中的空间位置。可以避免传统单相机-投影仪测量系统中标定投影仪的过程，提高三维测量精度,在标定比较好的情况下,在2.5m-4m之间可以达到毫米级的精度。

6、本发明通过图像处理软件采集摄像机连续捕获的彩色数字图像，检测摄像机图像中激光束在目标物体上的投影点和在彩色图像中检测目标物体上投射的激光点的中心像素位置，获取被测检测目标物体表面的三维信息，确定被测物的尺寸参数，测量信息量大大增加。这种将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快。投射到待测物表面后被待测物的高度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送至计算机内分析计算后可得出被测物的三维面形数据。然后利用三维三角测量结构的结构光测距原理，计算目标物体与测距系统坐标原点之间的距离；在彩色图像中检测目标物体上投射的激光点的中心像素位置，通过摄像机内外参数标定并结合系统安装参数得到根据解算所需的参数。一方面是在一幅图像中可以处理多条光条高图像的处理效率，另一方面可以实现物体表面的多光条覆盖，获得物体表面更大范围的深度信息，从而增加测量的信息量。同时由于每个图像像素点都可以获得三维数据，可以实现真正的全场测量，且分辨率高。

7、本发明图像处理软件采用激光点提取算法对图像做灰度化处理后，做高斯模糊，排除白噪声对检测结果的影响，将模糊后包含激光投影点的图像与不含激光投影点的图像做差分；然后对差分图像做高斯滤波滤除杂点，求取峰值；若峰值大于设定阈值，查找具有相同编码值的像素，找到激光投影点，通过滑动窗口获取每个像素的编码值；将二进制像素编码，转化为十进制，通过其临域获得包含了一个完整时域编码的像素数量的编码值；相减得到相位差，计算出被调制相位，得到截断相位图，将截断相位恢复为连续相位，该相位差则表征了被测物相对参考面的高度信息，再代入相位与高度转化公式(其中相应参数经过标定)，可以得到三维模型。然后对差分图像做高斯滤波滤除杂点，求取峰值；若峰值大于设定阈值，则找到激光投影点，通过滑动窗口获取每个像素的编码值；在投射相同数量编码图像的前提下，采用的灰度级数越多，解码的分辨率越高，同时也大大提高了其抗干扰能力和稳定性。这就使得在解码时能够将解码误差范围缩小在相邻一位，很大程度上减少了编码结构光方法在解码时的状态错乱，大大增强编码结构光方法的解码精度。不仅是减少工作量和提高测量，而且解码错误大为减少，比如：000，001，011，010，110，111，101，100即为一组gray码，其对应的十进制数分别是：0,1,2,3,4,5,6,7；另一大优点是最大码组和最小码组之间也仅一位不同，即该编码序列“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。

8、本发明应用于近距离目标测距的单点结构光三维测距系统。该系统由可见光波段单点激光发射器、彩色数字摄像机、安装支架和计算机组成，具有体积小、功耗低、成本低的特点。本发明的单点结构光三维测距系统可以安装在移动设备上，测量近距离目标物体的距离。