专利名称：一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法，更具体的说，本发明所提供的三维重建方法，可以实现明暗反差大场景下物体的高精度三维重建。
背景技术：
三维重建方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照成像照明方式的不同，光学三维测量技术可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。在主动三维测量技术中，结构光三维测量技术发展最为迅速，尤其是相位测量轮廓术(Phase Measuring Prof ilometry, PMP),也被称为相移测量轮廓术(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三维测量产品中常用的测量方法。相位测量方法是向被测物体上投射固定周期的按照三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最终完成一个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。由于目前采集到的图像的幅面较大，为了提高相位精度，需要向被测物体投射多个周期的相位图，因此，在一副图像中，相同相位值会出现多次。为了在图像中获得唯一的相位值，格雷码方法是常用的辅助解相方法。目前出现的三维测量产品，普遍采用格雷码加相移的光学投射方法，如德国GOM公司的Atos-I型结构光三维测量系统、德国Steinbichler公司的COMMET系列结构光三维测量系统、德国Breuckmann公司的optoTOP系列结构光三维测量系统、北京天远三维科技有限公司的OKIO-II型三维扫描仪、上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪、天津世纪动力光电科学仪器有限公司的CPOS三维扫描仪等。由于格雷码的编码方法主要靠图像的二值化来进行编码，因此对于复杂场景中的物体以及物体表面颜色变化较多的情况，一般需要喷涂显影剂才能实现较好的测量效果。外差多频方法是暨格雷码方法之后提出的一种改进的三维重建方法，可以避免格雷码仅仅使用二值化来进行阈值分割的情况。外差多频的原理是利用三种不同频率的相移光栅，两两叠加出一种更长波形的光栅，再利用两个叠加后的光栅，最终叠加出全场唯一的相位。该方法由于需要进行三次叠加运算，如果背景复杂的情况下，叠加的相位存在很大的误差，大大影响测量效果。因此，外差多频方法虽然比格雷码方法具有一定的优越性，但是仍然不能解决复杂场景情况下的高精度三维重建难题。为了解决明暗反差大以及无法喷涂显影剂的三维重建难题，本发明设计了一种新的三维重建方法，无需喷涂显影剂，就可以高精度的恢复复杂环境以及颜色变化较多的物体的三维形貌。
发明内容
本发明提供一种基于相移光栅的三维重建方法，该方法能够应用于高精度三维测量中，可以弥补格雷码和外差多频方法在三维重建过程中存在的缺陷。所述的三维重建系统的硬件系统包括用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为LKXL。；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为CKXC。，相机个数为1-2个；用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台；本发明所设计的三维重建方法，具体操作步骤如下步骤I :选取合适的λ i、λ 2、λ 3三种波长的正弦或者余弦函数光栅，所述的三种波长的光栅的用途是，经过所述光学投影装置转化为亮度信息后，可以向物体投射相移光 栅。Ai、A2、A3的数值不同，为了表述方便，本发明暂且假设A1) λ2> λ3，如果相移光栅为竖向排列，则三种波长应满足的关系如下式所示A1 彡 Lk A1 = Μλ2 λ2 = Νλ3(Μ 和 N 为整数)公式(I)如果相移光栅为横向排列，则三种波长应满足的关系如下A1 彡 Lc A1 = Μλ2 λ2 = Νλ3(Μ 和 N 为整数)公式⑵步骤2:利用所述的光源投射装置，向物体分别投射波长为W、λ3的相移光栅，投射顺序无需限定，即投射顺序可以是入1_入2_入3、λ λ 3- λ 2> X2-X1-X3'\ 2_ \ \ \ \ \ 2或者X X I六种方式中的任何一种，相移的步数应大于3步，最好为4_8步；步骤3 :采集每幅相移图像，并计算图像上每个点(X，y)在λ。λ2、入3三种波长情况下的相位 ^(χ,γ)、θ 2(χ y) > θ 3(χ y)；步骤4:对于在λ 3波长相移光栅中的每个点(x,y),利用其原始相位03(x,y),按如下公式计算其全局相位Q3-e(x，y)；
权利要求
1.一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法，本发明所述的三维重建方法可应用到如下的硬件系统中 用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为LKXL。； 用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机； 用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为CkX Cc，相机个数为1-2个； 用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台； 所述的高精度三维重建方法，其特征是，其操作步骤如下 步骤1:选取合适的λ:、入2、λ 3三种波长的正弦或者余弦函数光栅，所述的三种波长的光栅的用途是，经过所述光学投影装置转化为亮度信息后，可以向物体投射相移光栅。ApA2J3的数值不同，为了表述方便，本发明暂且假设A1) λ2> λ3，如果相移光栅为竖向排列，则三种波长应满足的关系如下式所示 A1 ^ Le λ1 = Μλ2 入2 = Νλ3(Μ 和 N为整数)公式(I) 如果相移光栅为横向排列，则三种波长应满足的关系如下 A1 ^ Lc λ1 = Μλ2入2 = Νλ3(Μ和N为整数)公式⑵ 步骤2:利用所述的光源投射装置，向物体分别投射波长为W、λ 3的相移光栅，投射顺序无需限定，即投射顺序可以是入「入2-入3、入「入3-入2、入2-入「入3、 χ、A3-X1-X2或者X3-X2-X1六种方式中的任何一种,相移的步数应大于3步,最好为4_8I K少； 步骤3:采集每幅相移图像，并计算图像上每个点(x，y)在λ” λ2、λ 3三种波长情况下的相位 Θ ! (x, y) > 92(x,y)、Q3(x，y)； 步骤4:对于在λ 3波长相移光栅中的每个点(x，y)，利用其原始相位e3(x，y)，按如下公式计算其全局相位03-c(x，y)；
全文摘要
本发明属于三维机器视觉领域，涉及一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法。该方法通过投射λ1、λ2、λ3三种波长的正弦或者余弦规律变化的光信息，每种光信息经过至少3步相移，最好4-8步。假设λ1＞λ2＞λ3，如果相移光栅为竖向排列，则三种波长应满足λ1≥LRλ1＝Mλ2λ2＝Nλ3(M和N为整数)；如果相移光栅为横向排列，则三种波长应满足的关系λ1≥Lc λ1＝Mλ2 λ2＝Nλ3(M和N为整数)。利用λ1、λ2的相位信息，计算λ3的全局相位信息，进而获得被测物体的三维坐标。本发明所设计的三维重建方法，优于传统的格雷码和外差多频方法的三维重建方法，可以有效的解决三维测量中复杂场景以及被测物体表面颜色不一致的测量难题，无需喷涂显影剂，更加绿色环保。
文档编号G06T7/00GK102881043SQ201210344110
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者宋丽梅, 杨燕罡, 陈卓 申请人:天津工业大学