三维点云图像构建方法、装置、三维扫描设备及存储介质与流程

1.本发明涉及工业测量技术领域，尤其涉及一种三维点云图像构建方法、三维点云图像构建装置、三维扫描设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.在现有的通过三维扫描装置进行待测物体的三维点云图像构建中，为了避免增加额外的大型装置，例如自动转台，或者额外的人工操作，例如用户手持单目结构光装置对待测物体进行多角度扫描和拼接，目前市面上大多使用三维点云图像构建装置进行待测物体的图像组的拍摄，并对于拍摄完后的图像组使用迭代最近点算法进行点云配准拼接，以此得到三维点云图像。
3.但在实际应用中发现，使用迭代最近点算法获得的三维点云图像存在点云断差，使得获得的三维点云图像存在精度低的情况，且使用迭代最近点算法进行的三维点云图像的获取其过程复杂，无法满足工业测量中高速度的需求。


技术实现要素：

4.本发明的主要目地在于提供一种三维点云图像构建方法、三维点云图像构建装置、三维扫描设备及计算机可读存储介质，旨在解决现有的基于迭代最近点算法获得的三维点云图像，无法满足工业测量中高精度和高速度的技术问题。
5.为实现上述目地，本发明提供一种三维点云图像构建方法，所述三维点云图像构建方法包括：
6.当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后，对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云；
7.基于所述计算装置中的多频段融合算法对所述图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，其中，所述三维点云图像为待测物体的三维点云图像。
8.可选地，所述对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像的步骤包括：
9.通过sigmoid函数获得符合预设权重取值要求的权重值后，将所述权重值代入中，以便对所述拉普拉斯金字塔进行融合，得到融合后的拉普拉斯金字塔，其中，表示第i层拉普拉斯金字塔的融合图像，表示第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的左条纹图像，第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的右条纹图像，weight为所述正弦相移条纹图像组中左条纹图像的所述权重值，且0≤weight≤1；
10.对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像。
11.可选地，所述对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像的步骤包括：
12.对所述融合后的拉普拉斯金字塔中的第三点云坐标进行提取；
13.基于所述第三点云坐标对所述拉普拉斯金字塔的第一点云坐标和第二点云坐标进行计算，得到三维点云图像。
14.可选地，所述当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后的步骤之前，还包括：
15.基于投影装置组接收到所述计算装置发送的拍照指令并触发投影图案后，所述投影装置组向光电耦合器和相机传感器分别发送导通信号和拍摄信号；
16.通过所述导通信号对所述光电耦合器的开关进行导通后，所述光电耦合器通过输出端口组向所述相机传感器发送触发信号，以便所述相机传感器基于所述触发信号和拍摄信号对所述投影装置组基于所述投影图案对所述待测物体的投影进行拍摄，得到所述图像组；
17.判断所述图像组是否满足预设图像组要求；
18.若所述图像组满足预设图像组要求，则执行所述接收到相机传感器发送的图像组后的步骤。
19.可选地，所述对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云的步骤包括：
20.基于所述计算装置对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码，通过四步相位法得到所述正弦相移条纹图像组的相位表达式；
21.通过四步相位法和倍频法对所述相位表达式进行相位展开，得到所述相位表达式对应的高频相位图中的条纹级数；
22.基于所述条纹级数得到对应的相位值；
23.通过所述相位值，并结合所述相机传感器和投影装置组的内参数和外参数进行计算，重建得到第一三维点云和第二三维点云。
24.本发明还提供一种三维点云图像构建装置，所述三维点云图像构建装置包括：
25.解码模块，用于当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后，对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码；
26.重建模块，用于得到第一三维点云和第二三维点云；
27.多频段融合算法模块，用于对所述图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，其中，所述三维点云图像为待测物体的三维点云图像。
28.可选地，所述三维点云图像构建装置还包括双单目结构光装置，所述双单目结构光装置包括：
29.投影装置组，所述投影装置组包括第一投影装置和第二投影装置，用于向光电耦合器和相机传感器分别发送导通信号和拍摄信号；
30.光电耦合器，所述光电耦合器的第一输入端与所述第一投影装置的输出端相连接，所述光电耦合器的第二输入端与所述第二投影装置的输出端相连接，用于通过输出端口组向所述相机传感器发送触发信号；
31.相机传感器，所述相机传感器的第一输入端与所述光电耦合器的第一输出端相接，所述相机传感器的第二输入端与所述光电耦合器的第二输出端相接，用于基于所述触发信号和拍摄信号对所述投影装置组基于所述投影图案对所述待测物体的投影进行拍摄，得到所述图像组；
32.所述投影装置和外置的计算装置电连接，用于接收所述计算装置发送的拍照指令并触发投影图案；
33.所述相机传感器和外置的计算装置电连接，用于向所述计算装置发送图像组。
34.可选地，所述光电耦合器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一二极管、第二二极管、第一光电隔离芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三二极管、第四二极管和第二光电隔离芯片；
35.所述第一电阻接入所述第一光电隔离芯片的第一输入端，所述第二电阻和所述第一二极管串联接在所述光电耦合器的第一输入端上，所述第一光电隔离芯片的第一输出端与所述光电耦合器的第一输出端相接，所述第二二极管、第三电阻和第四电阻接在所述第一光电隔离芯片的电源电压端和所述光电耦合器的第一输出端之间，所述第一光电隔离芯片的第二输出端接地；
36.所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一二极管、第二二极管和第一光电隔离芯片组成所述光电耦合器和所述相机传感器的第一导通通道；
37.所述第五电阻接入所述第二光电隔离芯片的第一输入端，所述第六电阻和所述第三二极管串联接在所述光电耦合器的第二输入端上，所述第二光电隔离芯片的第一输出端与所述光电耦合器的第二输出端相接，所述第四二极管、第七电阻和第八电阻接在所述第二光电隔离芯片的电源电压端和所述光电耦合器的第二输出端之间，所述第二光电隔离芯片的第二输出端接地；
38.所述第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三二极管、第四二极管和第二光电隔离芯片组成所述光电耦合器和所述相机传感器的第二导通通道。
39.此外，为实现上述目地，本发明还提供一种三维扫描设备，所述三维扫描设备包括三维点云图像构建装置、存储器、计算装置及存储在存储器上并可在计算装置上运行的计算机程序，所述计算机程序被三维点云图像构建方法执行时实现上述三维点云图像构建方法的步骤。
40.此外，为实现上述目地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序序被三维点云图像构建方法执行时实现上述三维点云图像构建方法的步骤。
41.本发明中，计算装置通过在接收到相机传感器发送的图像组后，对每组图像组中的正弦相移条纹图像组进行分别解码后，重建得到每组正弦相移条纹图像组对应的第一三维点云和第二三维点云，加快了三维点云的重建过程，使其更贴合工业检测中高速度的需求，再获得第一三维点云和第二三维点云后，计算装置通过多频段融合算法对第一三维点云、第二三维点云和图像组中的纹理图进行拉普拉斯金字塔的构建后，对构建完毕的拉普拉斯金字塔的每一层进行点云融合和计算，进而得到了消除了断差的三维点云图像，使其更贴合工业检测中高精度和高计算速度的需求。
附图说明
42.图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图；
43.图2为本发明计算装置、被测物体和三维点云图像构建装置内部器件的连接示意图；
44.图3为本发明光电耦合器的内部结构示意图；
45.图4为本发明三维点云图像构建方法一实施例的流程示意图；
46.图5为图4中步骤s10的前期流程示意图；
47.图6为投影装置组与相机传感器的放置角度示意图；
48.图7为第一三维点云、第二三维点云和纹理图的融合效果示意图；
49.图8为融合前的三维点云图像示意图；
50.图9为融合后的三维点云图像示意图。
51.附图标号说明：
52.标号名称r1-r8电阻d1-d4二极管u1-u2光电隔离芯片
53.本发明目地的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
54.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
55.本发明实施例的主要解决方案是：通过计算装置对相机传感器拍摄的图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码、重建得到第一三维点云和第二三维点云后，通过多频段融合算法对图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像。
56.而在现有技术中，使用迭代最近点算法获得的三维点云图像存在点云断差，使得获得的三维点云图像存在精度低的情况，且使用迭代最近点算法进行的三维点云图像的获取其过程复杂，无法满足工业测量中高速度的需求。
57.本发明提供一种三维点云图像构建方法，通过该方法，将现有的使用迭代最近点算法获得三维点云图像替换为解码、重建加多频段融合算法获得三维点云图像，有效解决了三维点云图像构建装置点云融合精度不高的问题，同时计算速度可满足工业需求。
58.如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图。
59.本发明实施例三维扫描设备可以是pc，也可以是平板电脑、便携计算机等可移动式终端设备。
60.如图1所示，该三维扫描设备可以包括：计算装置1001，例如cpu，网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如wi-fi接口)。存储器1005可以是高速ram存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述计
算装置1001的存储装置。
61.可选地，三维扫描设备还可以包括摄像头、rf(radio frequency，射频)电路，传感器、音频电路、wifi模块等等。其中，传感器比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线的明暗来调节显示屏的亮度，接近传感器可在移动终端移动到耳边时，关闭显示屏和/或背光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上(一般为三轴)加速度的大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别移动终端姿态的应用(比如横竖屏切换、相关游戏、磁力计姿态校准)、振动识别相关功能(比如计步器、敲击)等；当然，移动终端还可配置陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。
62.本领域技术人员可以理解，图1中示出的三维扫描设备结构并不构成对三维扫描设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
63.如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及计算机程序。
64.在图1所示的终端中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端(用户端)，与客户端进行数据通信；而计算装置1001可以用于调用存储器1005中存储的计算机程序，并执行以下操作：
65.当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后，对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云；
66.基于所述计算装置中的多频段融合算法对所述图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，其中，所述三维点云图像为待测物体的三维点云图像。
67.进一步地，计算装置1001可以调用存储器1005中存储的计算机程序，还执行以下操作：
68.所述对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像的步骤包括：通过sigmoid函数获得符合预设权重取值要求的权重值后，将所述权重值代入中，以便对所述拉普拉斯金字塔进行融合，得到融合后的拉普拉斯金字塔，其中，表示第i层拉普拉斯金字塔的融合图像，表示第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的左条纹图像，第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的右条纹图像，weight为所述正弦相移条纹图像组中左条纹图像的所述权重值，且0≤weight≤1；
69.对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像。
70.进一步地，计算装置1001可以调用存储器1005中存储的计算机程序，还执行以下操作：
71.所述对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像的步骤包括：对所述融合后的拉普拉斯金字塔中的第三点云坐标进行提取；
72.基于所述第三点云坐标对所述拉普拉斯金字塔的第一点云坐标和第二点云坐标
进行计算，得到三维点云图像。
73.进一步地，计算装置1001可以调用存储器1005中存储的计算机程序，还执行以下操作：
74.所述当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后的步骤之前，还包括：基于投影装置组接收到所述计算装置发送的拍照指令并触发投影图案后，所述投影装置组向光电耦合器和相机传感器分别发送导通信号和拍摄信号；
75.通过所述导通信号对所述光电耦合器的开关进行导通后，所述光电耦合器通过输出端口组向所述相机传感器发送触发信号，以便所述相机传感器基于所述触发信号和拍摄信号对所述投影装置组基于所述投影图案对所述待测物体的投影进行拍摄，得到所述图像组；
76.判断所述图像组是否满足预设图像组要求；
77.若所述图像组满足预设图像组要求，则执行所述接收到相机传感器发送的图像组后的步骤。
78.进一步地，计算装置1001可以调用存储器1005中存储的计算机程序，还执行以下操作：
79.所述对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云的步骤包括：基于所述计算装置对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码，通过四步相位法得到所述正弦相移条纹图像组的相位表达式；
80.通过倍频法对所述相位表达式进行相位展开，得到所述相位表达式对应的预设高频相位图中的条纹级数；
81.基于所述条纹级数得到对应的相位值；
82.通过所述相位值，并结合所述相机传感器和投影装置组的内参数和外参数进行计算，重建得到第一三维点云和第二三维点云。
83.参照图2，本发明一实施例提供一种三维点云图像构建装置，所述三维点云图像构建装置包括：
84.解码模块，用于当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后，对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码；
85.重建模块，用于得到第一三维点云和第二三维点云；
86.多频段融合算法模块，用于对所述图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，其中，所述三维点云图像为待测物体的三维点云图像。
87.进一步地，所述三维点云图像构建装置还包括双单目结构光装置，所述双单目结构光装置包括：
88.投影装置组，所述投影装置组包括第一投影装置和第二投影装置，用于向光电耦合器和相机传感器分别发送导通信号和拍摄信号；
89.光电耦合器，所述光电耦合器的第一输入端与所述第一投影装置的输出端相连接，所述光电耦合器的第二输入端与所述第二投影装置的输出端相连接，用于通过输出端口组向所述相机传感器发送触发信号；
90.相机传感器，所述相机传感器的第一输入端与所述光电耦合器的第一输出端相
接，所述相机传感器的第二输入端与所述光电耦合器的第二输出端相接，用于基于所述触发信号和拍摄信号对所述投影装置组基于所述投影图案对所述待测物体的投影进行拍摄，得到所述图像组；
91.所述投影装置和外置的计算装置电连接，用于接收所述计算装置发送的拍照指令并触发投影图案；
92.所述相机传感器和外置的计算装置电连接，用于向所述计算装置发送图像组。
93.需说明的是，在合适的景深范围内，待测物体离相机传感器或投影装置组的距离越远，构建出来的三维点云图像的精度越低，在当前三维点云图像构建装置的投影装置组中，为了保证投影装置组对待测物体的投影能够被投射到相机传感器的拍摄区域内，采用与垂直相机传感器夹角为30度方向进行投射，如图6所示，当两组投影装置水平放置时，第一投影装置生成的第一图像的精度左高右低，第二投影装置生成的第二图像的精度左低右高，因此在进行拉普拉斯金字塔融合的时候，第一投影装置对应的第一三维点云的左边部分对融合后的拉普拉斯金字塔的左边点云权重更大，这也是为什么在多频段融合算法中主要调整的是左条纹图像的权重。
94.具体地，参照图3，所述光电耦合器包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一二极管d1、第二二极管d2、第一光电隔离芯片u1、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第三二极管d3、第四二极管d4和第二光电隔离芯片u2；
95.所述第一电阻r1接入所述第一光电隔离芯片u1的第一输入端，所述第二电阻r2和所述第一二极管d1串联接在所述光电耦合器的第一输入端上，所述第一光电隔离芯片u1的第一输出端与所述光电耦合器的第一输出端相接，所述第二二极管d2、第三电阻r3和第四电阻r4接在所述第一光电隔离芯片u1的电源电压端(即+5v)和所述光电耦合器的第一输出端之间，所述第一光电隔离芯片u1的第二输出端接地；
96.所述第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一二极管d1、第二二极管d2和第一光电隔离芯片u1组成所述光电耦合器和所述相机传感器的第一导通通道。
97.当光电耦合器接收到第一投影装置发送的导通信号时，如图3所示，1+端和1-端接收导通信号产生的电流通过第一电阻r1、第二电阻r2和第一二极管d1到达第一光电隔离芯片u1的第一输入端和第二输入端，使得第一光电隔离芯片u1中的发光二极管因接收到流入的电流而发出一定波长的光，使得与发光二极管封装在第一光电隔离芯片u1中的光敏探测管在探测到发光二极管发出的波长后产生电流，使得光电耦合器的第一输出端(即o1端)导通，其中第一二极管d1和第二二极管d2为发光二极管，用于显示第一导通通道的导通状态。
98.所述第五电阻r5接入所述第二光电隔离芯片u2的第一输入端，所述第六电阻r6和所述第三二极管d3串联接在所述光电耦合器的第二输入端上，所述第二光电隔离芯片u2的第一输出端与所述光电耦合器的第二输出端相接，所述第四二极管d4、第七电阻r7和第八电阻r8接在所述第二光电隔离芯片u2的电源电压端(即+5v)和所述光电耦合器的第二输出端之间，所述第二光电隔离芯片u2的第二输出端接地；
99.所述第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第三二极管d3、第四二极管d4和第二光电隔离芯片u2组成所述光电耦合器和所述相机传感器的第二导通通道。
100.当光电耦合器接收到第二投影装置发送的导通信号时，如图3所示，2+端和2-端接收导通信号产生的电流通过第五电阻r5、第六电阻r6和第三二极管d3到达第二光电隔离芯
片u2的第一输入端和第二输入端，使得第二光电隔离芯片u2中的发光二极管因接收到流入的电流而发出一定波长的光，使得与发光二极管封装在第二光电隔离芯片u2中的光敏探测管在探测到发光二极管发出的波长后产生电流，光电耦合器的第二输出端(即o2端)导通，其中第三二极管d3和第四二极管d4为发光二极管，用于显示第一导通通道的导通状态。
101.参照图4，本发明一实施例提供一种三维点云图像构建方法，所述三维点云图像构建方法包括：
102.步骤s10，当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后，对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云；
103.在本实施例中，有关于三维点云图像的构建在计算装置中进行。
104.计算装置接收到的相机传感器发送的图像组，相当于接收到开始计算的信号，基于该信号，先对图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码。
105.需说明的是，在本实施例中，前期先由计算装置产生理想的正弦相移条纹图后，通过正弦相移条纹图分别向第一投影装置和第二投影装置发送拍照指令，使得第一投影装置和第二投影装置基于拍照指令分别触发投影图案后(含有五组四步正弦相移条纹投影图案和一副全1编码图案，其中，全1编码图即为纹理图)，相机传感器基于第一投影装置和第二投影装置分别基于投影图案对待测物体的投影进行拍摄获得图像组，因此图像组中包含第一图像和第二图像，其次，每组图像中又含有正弦相移条纹图像和一副全1编码图像(即纹理图)，所以本实施例中的计算装置是分别对第一图像和第二图像中的正弦相移条纹图像进行解码、重建，进而得到的第一图像的第一三维点云和第二图像的第二三维点云。
106.三维点云是指在同一空间参考系下表达待测物体的海量点集合，是由待测物体表面上一系列空间采样点构成图像几何描述，具体的解码和重建过程如下所述。
107.可选地，步骤s10中对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码后，重建得到第一三维点云和第二三维点云的步骤包括：
108.步骤s11，基于所述计算装置对所述图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码，通过四步相位法得到所述正弦相移条纹图像组的相位表达式；
109.因为正弦相移条纹图像组中存在两组正弦相移条纹图像，为了方便说明，以下实施例以一组正弦相移条纹图像进行说明，因为图像组中第一图像和第二图像的正弦相移条纹图像其解码和重建过程是一样的。
110.因为直接采用相机传感器拍摄正弦相移条纹图像存在外接因素的干扰导致的误差，因此，在本实施例中是基于正弦相移条纹投影图案(因为正弦相移条纹投影图案是在计算装置产生正弦相移条纹图和拍照指令后触发的，因此正弦相移条纹投影图案相对于正弦相移条纹图)进行的相位获取，首先根据公式1
111.in(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)-2πn/n)
ꢀꢀꢀꢀ
公式1
112.其中a(x,y)是正弦相移条纹图像亮度和背景的平均强度，b(x,y)是正弦相移条纹图像对比度基于待测物体表面反射率的强度调制，n＝0，1，2，.....，n-1，n为相移步数，其最终目的是为了对公式1中的相位进行提取，即对φ(x,y)进行提取，可得公式2
113.114.因为正弦相移条纹图像是相机传感器基于投影装置的五组四步正弦相移条纹投影图案投影到待测物体上进行拍摄所得的，因此对公式2进行四步相移，即每步相移π/2，可得四步相移的四张正弦相移条纹图像的表达式i1、i2、i3和i4，对四张正弦相移条纹图像的表达式进行整合简化，得到简化后的相位表达式，即公式3
[0115][0116]
步骤s12，通过倍频法对所述相位表达式进行相位展开，得到所述相位表达式对应的预设高频相位图中的条纹级数；
[0117]
根据公式3可知，由于arctan的值域为(-π，π)，因此计算得到的相位φ(x,y)会在-π和π之间，但因为相位φ(x,y)是投影装置的相位，且投影装置的相位φ(x,y)中的x是周期性的，存在多个周期，进而使得相位值存在不唯一性，而为了使得相位具有唯一性，本实施例中使用倍频法，即公式4对公式3进行相位展开，得到公式5。
[0118]
φh(x,y)＝(fh/f
l
)φ1(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4
[0119]
其中，fh和f
l
分别为所采用的高频条纹和低频条纹的频率值，选择fh/f
l
＝f作为倍频数，φh(x,y)和φ1(x,y)分别是高频条纹图像和低频条纹图像在(x,y)处的解包裹相位。
[0120][0121]
kh为比k
l
低一频率的波形次序，即条纹级数，当倍频数f＝1，k
l
＝0时，由此可得公式6
[0122][0123]
进而根据公式6得到相位表达式对应的相位图(此处的高频相位图是指对比前一相位图的频率)中的条纹级数，而为了提高条纹级数的稳健性，在本实施例中采用递归执行相位展开，即使用i1相位确定i2的等效条纹周期相位的条纹级数，然后利用i2相位确定i3的等效条纹周期相位的条纹级数，以此类推，直至最后一张相位图，即预设高频相位图的相位展开完毕，因为此处是以频率最低的相位图为基准进行相位展开的，因此预设高频相位图中只存在一个周期，而之所以不直接基于频率最低的相位图进行条纹级数的获取，是因为基于频率最低的相位图进行的条纹级数的获取会导致最后输出的三维点云图像精度不高，采用该方法即能够使得相位具有唯一性，又能够保证三维点云图像高精度的效果。
[0124]
步骤s13，基于所述条纹级数得到对应的相位值；
[0125]
基于上述最后输出的预设高频相位图中的条纹级数，可以确保预设高频相位图中每一行(即坐标x)中的每一点x具有唯一性，以此确定对应的相位值φ(x,y)。
[0126]
步骤s14，通过所述相位值，并结合所述相机传感器和投影装置组的内参数和外参数进行计算，重建得到第一三维点云和第二三维点云。
[0127]
在确定相位值φ(x,y)后，结合预先在相机传感器和投影装置中设置好的内参数和外参数对三维点云坐标进行计算，根据小孔成像的原理，相机传感器和投影装置可表示
为公式7
[0128][0129]
其中c是相机传感器，p是投影装置，uc和vc是相机的图像坐标，kc和v
p
是投影装置的相位坐标，kc和k
p
是内参数、焦距和中心点坐标，rc、r
p
、tc和t
p
是相机传感器和投影装置外参数，表示的是空间直角坐标系的变换关系，内参数和外参数因为是预先标定的，属于已知量，基于公式7，可得公式8
[0130][0131][0132]
其中和是通过内参数、外参数计算所得，对公式8进行解方程，得公式9
[0133][0134]
其中即为一组正弦相移条纹图像的三维点云坐标，因为图像组中存在两组正弦相移条纹图像，所以最后输出的三维点云坐标由两组，即第一三维点云和第二三维点云。
[0135]
步骤s20，基于所述计算装置中的多频段融合算法对所述图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，其中，所述三维点云图像为待测物体的三维点云图像，例如图8所示的融合前的三维点云图像和图9所示的融合后的三维点云图像的示例图。
[0136]
将图8和图9进行对比可明显看出，融合了纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云的图9相对于图8，其精度更高，显示效果更佳。
[0137]
可选地，步骤s20中对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像的步骤包括：
[0138]
步骤s21，通过sigmoid函数获得符合预设权重取值要求的权重值后，将所述权重值代入中，以便对所述拉普拉斯金字塔进行融合，得到融合后的拉普拉斯金字塔，其中，表示第i层拉普拉斯金字塔的融合图像，表示第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的左条纹图像，第i层拉普拉斯金字塔中所述正弦相移条纹图像组的右条纹图像，weight为所述正弦相移条纹图像组中左条纹图像的所述权重值，且0≤weight≤1；
[0139]
使用sigmoid函数的目的是为了获取理想的第一三维点云、第二三维点云和纹理图的融合效果，即融合窗口，如图7所示的数据图，p1为融合窗口较大时，其融合效果会产生鬼影；p4为融合窗口较小时，其融合效果会产生截断，表现为点云断差和纹理图的色差。为了得到较佳的融合效果，需要在低频处使用较大的融合窗口避免截断，在高频处使用较小的融合窗口避免鬼影，因此得选择合适的融合窗口，而融合窗口的大小取决于权重值的选值，而使用sigmoid函数具有以下优势：
[0140]
①
sigmoid函数的值域为(0，1)，能够符合权重值的取值要求，且sigmoid函数的图像平滑，适合进行第一三维点云、第二三维点云和纹理图的融合。
[0141]
②
sigmoid函数中间从0到1的变化阶段，其宽度可以通过归一化进行收缩，归一化的过程如公式10
[0142][0143]
其中，i为图像中每一列的索引，width为图像的宽，margin为人为设定值，当margin越大，sigmoid函数中间从0到1的变化阶段宽度越窄，即融合窗口越小，反之亦然。
[0144]
通过选取能够展现较佳融合效果的margin后，基于该margin通过sigmoid函数获得符合预设权重取值要求的权重值后，将该权重值代入公式11中
[0145][0146]
得到融合后的拉普拉斯金字塔，即基于第一三维点云、第二三维点云和纹理图像组融合后的三维点云图像。
[0147]
步骤s22，对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像。
[0148]
可选地，步骤s22中对所述融合后的拉普拉斯金字塔进行计算，得到三维点云图像
的步骤包括：
[0149]
步骤s23，对所述融合后的拉普拉斯金字塔中的第三点云坐标进行提取；
[0150]
步骤s24，基于所述第三点云坐标对所述拉普拉斯金字塔的第一点云坐标和第二点云坐标进行计算，得到三维点云图像。
[0151]
上述得到的三维点云图像只是针对第三点坐标，即z坐标进行融合后得到的，因此在基于融合后的拉普拉斯金字塔获得三维点云图像后，需基于三维点云中的z坐标进行第一点云坐标和第二点云坐标，即x坐标和y坐标的计算。
[0152]
因为在相机光学系统中，一个空间三维点及其对应的相机传感器成像二维点之间满足小孔成像原理。在以相机传感器坐标系为基准坐标系的系统中，小孔成像原理可表示为公式12
[0153][0154]
对于融合后的点云，每个点的三维坐标是经过两片点云中匹配点融合计算而来，而其原先对应的相机成像二维点虽然也经过融合计算，但是融合的是灰度值，不改变其坐标值。因此，空间三维点及其对应的相机成像二维点之间已经不满足小孔成像原理。这样计算出来的三维点云图像只在视觉效果上满足要求，在小孔成像上并不能满足。
[0155]
因此，为了满足小孔成像约束，在对拉普拉斯金字塔进行融合的时候，只对点云z坐标进行融合，在融合完毕得到融合后的z坐标后，就可以由小孔成像模型计算更新对应的x坐标和y坐标，即公式13
[0156][0157]
在基于z坐标计算更新完x坐标和y坐标后，才能获得最终的待测物体的三维点云图像。
[0158]
在本实施例中，通过计算装置对相机传感器拍摄的图像组中的正弦相移条纹图像组进行解码、重建得到第一三维点云和第二三维点云，简化了重建流程，在一定程度上提升了构建三维点云图像的速度，通过多频段融合算法对图像组中的纹理图像组、第一三维点云和第二三维点云进行拉普拉斯金字塔的构建后，对所述拉普拉斯金字塔进行融合和计算，得到三维点云图像，消除了现有存在的通过迭代最近点算法获得的三维点云图像存在点云断差和在精度低的情况，有效解决了三维点云图像构建装置点云融合精度不高的问题，同时计算速度可满足工业需求。
[0159]
进一步的，参照图5，本发明一实施例提供一种三维点云图像构建方法，基于上述步骤s10中当基于计算装置接收到相机传感器发送的图像组后的步骤之前，还包括：
[0160]
步骤s30，基于投影装置组接收到所述计算装置发送的拍照指令并触发投影图案后，所述投影装置组向光电耦合器和相机传感器分别发送导通信号和拍摄信号；
[0161]
步骤s40，通过所述导通信号对所述光电耦合器的开关进行导通后，所述光电耦合
器通过输出端口组向所述相机传感器发送触发信号，以便所述相机传感器基于所述触发信号和拍摄信号对所述投影装置组基于所述投影图案对所述待测物体的投影进行拍摄，得到所述图像组；
[0162]
步骤s50，判断所述图像组是否满足预设图像组要求；
[0163]
步骤s60，若所述图像组满足预设图像组要求，则执行所述接收到相机传感器发送的图像组后的步骤。
[0164]
因为本实施例使用的是三维点云图像构建装置，如图6所示，因此存在两组投影装置，此处统称为投影装置组是为了避免描述混乱，因此图像组的具体生成流程如下：
[0165]
首先计算装置会先产生理想的正弦相移条纹图，并基于正弦相移条纹图先后发送发送拍照指令到第一投影装置和第二投影装置中。
[0166]
①
第一投影装置：若此时第一投影装置接收到计算装置发送的拍照指令，因为拍照指令时基于正弦相移条纹图，所以此时的第一投影装置会触发与正弦相移条纹图对应的正弦相移条纹的投影图案，并同时向光电耦合器发送导通信号和向相机传感器发送拍摄信号，使得光电耦合器在接收到第一投影装置发送的导通信号时，导通与相机传感器之间的输出端口组的第一输出端，并通过导通的第一输出端向相机传感器发送第一投影装置的触发信号，使得相机传感器基于第一投影装置的触发信号和拍摄信号，对此时第一投影装置基于投影图案对待测物体的投影进行拍摄，并对相机传感器所拍摄的第一图像是否满足预设图像组要求进行判断，即对相机传感器所拍摄的第一图像是否包含有20幅正弦相移条纹图像和一副全1编码图像(即纹理图)进行判断，若相机传感器所拍摄的第一图像包含有正弦相移条纹图像和一副全1编码图像(即纹理图)，则判定相机传感器所拍摄的第一图像满足预设图像组要求，将该第一图像通过相机传感器与计算装置之间的usb3.0数据线(也可以为其他具有相同传输功能的传输通道)将第一图像发送到计算装置中。
[0167]
②
第二投影装置：若此时第二投影装置接收到计算装置发送的拍照指令，此时的第二投影装置会触发与正弦相移条纹图对应的正弦相移条纹的投影图案(该投影图案与第一投影装置所触发的投影图案一致，因为都是基于正弦相移条纹图所触发的)，并同时向光电耦合器发送导通信号和向相机传感器发送拍摄信号，使得光电耦合器在接收到第二投影装置发送的导通信号时，导通与相机传感器之间的输出端口组的第二输出端，并通过导通的第二输出端向相机传感器发送第二投影装置的触发信号，使得相机传感器基于第二投影装置的触发信号和拍摄信号，对此时第二投影装置基于投影图案对于待测物体的投影进行拍摄，并对相机传感器所拍摄的第二图像是否满足预设图像组要求进行判断，即对相机传感器所拍摄的第二图像是否包含有20副正相相移条纹图像和一副全1编码图像(即纹理图)进行判断，若相机传感器所拍摄的第二图像包含有正弦相移条纹图像和一副全1编码图像(即纹理图)，则判定相机传感器所拍摄的第二图像满足预设图像组要求，将该第二图像通过相机传感器与计算装置之间的usb3.0数据线(也可以为其他具有相同传输功能的传输通道)将第二图像发送到计算装置中。
[0168]
将第一投影装置和第二投影装置分开进行导通和拍摄的原因是，为了避免第一投影装置和第二投影装置同时导通和发送导致的相机传感器拍摄错乱的情况，且计算装置只有在接收到完整的第一图像和第二图像组成的图像组后，才会进行三维点云图像的构建。
[0169]
在本实施例中，在无需任何额外的大型装置或额外的人工操作的情况下，通过使
用两组投影装置和一组相机传感器对待测物体的三维点云的图像进行实时拍摄，实现了自动化和便捷性的三维点云的图像拍摄过程，在一定程度上提升了三维点云的图像获取的效率。
[0170]
此外，本发明实施例还提出一种三维扫描设备，所述三维扫描设备包括三维点云图像构建装置、存储器、计算装置及存储在存储器上并可在计算装置上运行的计算机程序，所述三维点云图像构建方法执行所述计算机程序时实现上述三维点云图像构建方法的步骤。
[0171]
此外，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被计算装置执行时实现上述三维点云图像构建方法的步骤。
[0172]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0173]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0174]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0175]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。