一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法

摘要

本发明提供了一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法主要包括以下步骤：1)生成四幅具有特殊相移编码形式面结构图案；2)将该四幅结构光图案通过投影仪投影至被测物体表面，同时相机同步采集对应的变形光栅；3)从被采集的四幅图像中同时反解出包裹相位及相移信息；4)从相移信息中解算得到级数信息，结合前一步得到的包裹相位，最终解算得到绝对相位信息；5)利用得到的绝对相位信息与测量系统标定结果，得到物体表面的三维重建结果。本发明提供的一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法仅需投射四张图像便可完成一次三维测量，可被广泛应用于高速、实时、高精度三维测量环境。

权利要求

1.一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：步骤1：生成四步相移编码的结构光图案，其表达式如下：

在上述4式中， 为像素点(x,y)的光强，p代表投影仪，n＝1,2,3,4为对应的编码步数；A为生成光栅的平均光强系数，B为生成光栅的光强幅值调制系数；φ(x,y)为点(x,y)的所编码的绝对相位信息，α(x,y)为点(x,y)的所编码的相移信息；其中α(x,y)按如下方式编码：上式中N为生成光栅设定的条纹周期总数，k(x,y)为点(x,y)的级数，范围为[1，N]；

步骤2：将生成的四幅面结构光图案输入投影仪，通过投影仪将四幅图案依次投射到被测物体上，同时相机同步采集该四幅因为物体表面调制而发生变形的结构光图案；四幅被采集图像的光强可以表示为：在上述四式中， 为被采集图像像素点(x,y)的光强，c代表相机；A′为采集光栅的平均光强系数，B′为采集光栅的光强幅值调制系数；

步骤3：基于步骤2中相机采集得到的四幅图像，按照下式分别提取被采集图像中包含的相位信息与相移信息：其中 为包裹相位信息；

步骤4：基于步骤3中获得的包裹相位信息 与相移信息α(x,y)，求解得到被捕捉图像中包含的绝对相位信息；通过相移信息α(x,y)首先求解得到条纹周期对应的条纹级数：其中Round函数为四舍五入取整函数；然后依据上式求得的条纹级数，可以解得绝对相位信息：步骤5：通过绝对相位信息与预先标定的投影仪-相机系统的相位-三维坐标关系计算物体表面点的三维坐标数据，完成待测物体三维重建。

2.如权利要求1所述的一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：步骤1中点(x,y)的所编码的绝对相位信息φ(x,y)在竖直条纹光栅中表示为：φ(x,y)＝2πx/h，在水平条纹光栅中表示为：φ(x,y)＝2πy/h，其中h为一个周期条纹的节距；点(x,y)的所编码的级数信息k(x,y)在竖直条纹光栅中表示为：k(x,y)＝int(x/h)，在水平条纹光栅中表示为：k(x,y)＝int(y/h)，其中int为向上取整函数。

说明书

一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三维重建方法，更进一步，涉及一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法。

背景技术

[0002] 随着人工智能技术与计算机科学的不断发展，如何实现对对象的智能感知与快速测量成为亟待解决的技术问题。为了解决这个问题，大量不同的三维测量技术在各个行业的得到广泛应用，如工业流水线产品尺寸检测、逆向工程、虚拟现实等。由于各类三维测量的实现原理不同，其相对之间具有不同的技术特点。总的来说，三维测量技术总体发展的目标为：高精度、高速度、大尺度范围。

[0003] 传统的三维测量技术可以分为两个大类：接触式三维测量与非接触式三维测量。接触式三维测量通过与被测物体的实际接触实现测量，是目前三维测量领域较为经典的技术形式。非接触式三维测量技术通过无线介质实现对物体的三维测量，如声、光、电磁等。其中三维光学测量技术相对于其他非接触式三维测量技术，具有精度高、易实现、速度快等特点，因此三维光学测量得到了大量的应用，同时发展出了不同的技术形式。

[0004] 其中，基于面结构光(Structed light)的三维测量是三维光学测量技术中的典型代表。通过一个或多个工业相机与投影仪的组合，结构光法可以实现高精度、快速的三维测量。此外，结构光系统还具有成本低、系统配置简单等特点，便于控制成本和大规模的应用。结构光三维测量的基本技术过程是：使用计算机预制一组具有特定编码的结构光图案，并经过投影仪将其投射至被测物体表面，通过相机的同步采集，得到变形的结构光图案。通过提取被采集图像中的相位信息，结合标定得到的相机-投影仪系统光学模型，可以反解出被测物体的三维信息。作为结构光法的代表，传统的相移测量轮廓术(Phase Shifting Profilometry)投射多幅具有相等间距相位移的正弦光栅图案来实现对物体的三维测量。
为了准确的提取相位信息和展开包裹相位，单次测量常常需要投射12幅光栅(3频4步)。虽然相移测量轮廓术在测量精度上较其他结构光法具有巨大优势，但大量的待投射图片限制了相移测量轮廓术在高速、实时测量环境中的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法的主要内容是生成四幅具有特殊编码方式的相移编码型面结构光，并通过本发明提出的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的重新解算而得到绝对相位信息，将得到的绝对相位信息引入预先标定建立的系统三维坐标-相位对应模型，从而得到测物体表面的三维信息。该基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法仅仅需要投射四张图片来完成对物体的一次三维测量，并最终得到与传统方法同样精度的三维测量结果。同时该方法可实现与被捕捉图像像素密度相当的测量密度，得到具有高分辨率的三维测量结果。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法具体包括以下步骤：

[0007] 步骤1：生成四步相移编码的结构光图案，其表达式如下：

[0008]

[0009]

[0010]

[0011]

[0012] 在上述4式中， 为像素点(x,y)的光强，p代表投影仪，n＝1,2,3,4为对应的编码步数。A为生成光栅的平均光强系数，B为生成光栅的光强幅值调制系数。φ(x,y)为点(x,y)的所编码的绝对相位信息，α(x,y)为点(x,y)的所编码的相移信息。其中α(x,y)按如下方式编码：

[0013]

[0014] 上式中N为生成光栅设定的条纹周期总数，k(x,y)为点(x,y)的级数，范围为[1，N]。

[0015] 步骤2：将生成的四步面结构光图案输入投影仪，通过投影仪将四幅图案依次投射到被测物体上，同时相机同步采集该四幅因为物体表面调制而发生变形的结构光图案。四幅被采集图案的光强可以表示为：

[0016]

[0017]

[0018]

[0019]

[0020] 在上述四式中， 为被采集图像像素点(x,y)的光强，c代表相机。A′为采集光栅的平均光强系数，B′为采集光栅的光强幅值调制系数。

[0021] 步骤3：基于步骤2中相机采集得到的四幅图像，按照下式分别提取被采集图像中包含的相位信息与相移信息：

[0022]

[0023]

[0024] 其中 为包裹相位。

[0025] 步骤4：基于3中获得的包裹相位 与相移α(x,y)，求解得到被捕捉图像中包含的绝对相位。通过相移α(x,y)可求解得到条纹周期对应的条纹级数：

[0026]

[0027] 其中Round函数为四舍五入取整函数。然后依据式求得的条纹级数，可以解得绝对相位：

[0028]

[0029] 步骤5：通过相位信息与预先标定的投影仪-相机系统数学模型计算物体表面点的三维坐标数据，即可完成待测物体三维重建。

[0030] 作为对本发明的该四步相移编码型结构光三维重建方法的进一步优选的实施例，所述步骤1中点(x,y)的所编码的绝对相位信息φ(x,y)在竖直条纹光栅中表示为：φ(x,y)＝2πx/h，在水平条纹光栅中表示为：φ(x,y)＝2πy/h，其中h为一个周期条纹的节距。点(x,y)的所编码的级数信息k(x,y)在竖直条纹光栅中表示为：k(x,y)＝int(x/h)，在水平条纹光栅中表示为：k(x,y)＝int(y/h)，其中int为向上取整函数。

附图说明

[0031] 图1是本发明的基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法的测量系统示意图。

[0032] 图2是本发明的基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法的流程示意图。

[0033] 图3是本发明的基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法生成的该四步相移编码型面结构光示意图。

具体实施方式

[0034] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

[0035] 结合附图1至附图3，本发明公开一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，其通过一个投影仪-相机测量系统来实现。该测量系统包括一台计算机1、一台相机2、一台投影仪3以及被测物体4。该计算机1分别与相机2和投影仪3相连，能够控制该投影仪3向该被测量物体一次投射包含相位信息的四步相移编码的结构光条纹光栅图像。该工业相机2能够在计算机1的控制下同步采集经过该被测物体4表面调制的条纹光栅图像，并将其发送到该计算机1以进行相位相移解算和后续三维重建的操作。被测物体4位于该相机2和该投影仪3的前方，该布置位置应保证让被测特征被投影仪3相机1的公共投影区域所覆盖。

[0036] 结合附图所示，本发明公开一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法。具体实现步骤如下:

[0037] 步骤1：如图1所示的结构光测量系统，主要由该计算机1、该相机2、该投影仪3与该被测物体4组成。该结构光测量系统的布置应尽量保证让投影仪3与相机1的公共视场足够大，且被测物体的被测特征应被该投影仪3所投射的光栅所覆盖。例如在附图1中，该投影仪3与该相机2分别为被测物体的右侧和左侧，二者的光轴相交，投影区域相互重叠，且该被测物体4正好位于二者的公共视场内。布置好硬件之后，标定该结构光测量系统，建立投影仪-相机的内外参数模型。

[0038] 步骤2：由该计算机1生成四步相移编码光栅。根据投影仪投影元件分辨率生成对应长度H与对应宽度W的四步相移光栅；根据测量需要选定整幅光栅图像的条纹数N；根据测量需要选择是竖直条纹光栅或水平条纹光栅，并计算得到需要生成的条纹节距h；根据测量需要确定平均光强系数A与光强幅值调制系数B。例如在附图3，生成H＝768像素与W＝1024像素的包含十个条纹周期的竖直条纹光栅，其平均光强系数A＝0.5，光强幅值调制系数B＝0.5。

[0039] 步骤3：由该计算机1将步骤2中生成的四步相移编码结构光栅通过该投影仪3依次投影至物体表面，同时经由该相机2同步采集，采集得到变形之后的条纹光栅图像。对应的四幅被采集图像存储于该计算机1。

[0040] 步骤4：基于步骤3中采集得到的四幅变形的结构光栅图案，分别依据如下公式计算每一个像素点的包裹相位 与相移α(x,y)：

[0041]

[0042]

[0043] 步骤5：基于步骤4中计算得到的相移值α(x,y)，依据如下公式分别求解得到每一个像素点级数值：

[0044]

[0045] 步骤6：基于步骤4中计算得到的各像素点的包裹相位值 和步骤5中计算得到的各像素点的级数值k(x,y)，依据如下公式计算得到图像中各个像素点的绝对相位值φ(x,y):

[0046]

[0047] 步骤7：基于步骤6中的计算得到的各点的绝对相位值与步骤1中标定得到的该结构光系统的投影仪-相机的内外参数模型，求解各个像素点对应物体表面的三维空间坐标值，完成对物体的三维重建与测量。

[0048] 总的来说，本发明提供的一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法的技术思路是通过生成四幅相位与相移同时编码的面结构光图像，从而实现对物体的三维形貌进行测量。本发明同时提供对应的解相以及解包裹算法，可直接由四张被采集的编码图像中恢复出对应像素点的绝对相位值，从而最终得到物体的三维测量结果。

[0049] 上述实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。