本发明涉及一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法，包括如下步骤：步骤一、利用计算机生成多种条纹图，具体包括三幅正弦相移条纹图，以及一到多幅多灰度级条纹图；步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集；步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次，可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值；步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；步骤六、三维重建，进行相位‑高度转换，得到被测物体的三维高度数据。
基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及图像测量领域，尤其是一种基于正弦条纹和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法
背景技术
[0002] 三维扫描系统是一种非接触式光学测量系统，通过光栅投影的方式实现点云获取，搭载机器人、导轨、转台等运动机构实现大范围柔性测量，高密度点云测量，真实还原物体的丰富表面细节。通常，每个测量位置点都会投射一组条纹图序列，如：用正弦条纹图序列进行投影，采集到投影后的形变条纹图后，首先需要恢复出主相位，相移法是一种常用的方法，一般需要三张以上的相移图。在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中,为了完成绝对相位的测量,通常需要处理至少9幅条纹图像，限制了测量速度。
发明内容
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法，此方法只需投影三帧正弦相移条纹图和多帧多灰度级条纹图，耗时短，可有效提高测量速度，适合需要高速、实时三维测量的场合。
[0004] 本发明的技术方案为：一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法，包括如下步骤：
[0005] 步骤一、利用计算机生成多种条纹图，具体包括三幅正弦相移条纹图，以及一或多幅多灰度级条纹图；
[0006] 步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集；
[0007] 步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；
[0008] 步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次，可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值；
[0009] 步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；
[0010] 步骤六、三维重建，进行相位‑高度转换，得到被测物体的三维高度数据。
[0011] 进一步的，所述多灰度级是指至少两灰度级。
[0012] 进一步的，所述步骤一，利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3并依次满足公式(1)、(2)、(3)，
[0013] I1(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx‑2π/3) (1)
[0014] I2(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx) (2)
[0015] I3(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx+2π/3) (3)
[0016] 同时，生成一或多幅多灰度级条纹图I4每一个条纹所占像素是正弦条纹每个周期所占像素的N倍；公式(1)、(2)、(3)中，I1(x,y)、I2(x,y)和I3(x,y)依次为条纹图I1、I2和I3的光强，其中，I′(x,y)为图像直流分量，I″(x,y)为振幅，T为条纹图所包含的周期数。
[0017] 进一步的，所述步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集；具体包括：
[0018] 将被测物体放置在投影区域的平面内，用投影仪将步骤一所生成的多幅条纹图I1、I2、I3、I4依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集，依次获得被待测物体调制的多幅条纹图 其光强分布如下：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中，α(x,y)为被测物表面反射率，β1(x,y)为被物体反射的环境光，β2(x,y)为直接进入相机的环境光。
[0023] 进一步的，所述步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；具体包括：
[0024] 使 用 公 式 ( 7 ) 求 解 出 相 机 采 集 到 的 三 幅 正 弦 相 移 条 纹 图所包含的包裹相位
[0025]
[0026] 进一步的，所述步骤四、使用阈值m1、m2、m3利用公式(8)将 分割,确定相对条纹级次k1(x,y)：
[0027]
[0028] 其中三个阈值的大小关系为：m1＞m2＞m3，可选的，利用直接照明分量和间接照明分量算法计算得到所述阈值。
[0029] 进一步的，所述步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次；然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；具体包括如下步骤：
[0030] 步骤(5.1)、然后利用公式(9)对k1(x,y)计算连通域得到t(x,y)；
[0031] t(x,y)＝bwlabel(k1(x,y)) (9)
[0032] 其中bwlabel(k1(x,y))表示，返回一个和k1(x,y)大小相同的矩阵，包含了标记了k1(x,y)中每个连通区域的类别标签，这些标签的值为1、2、n，n为连通区域的个数；
[0033] 步骤(5.2)、利用公式(10)比较赋值运算将t(x,y)处理得到t1(x,y)。
[0034] t1(x,y)＝F1(t(x,y)) (10)
[0035] 其中F1(t(x,y))表示，如果t(x,y)＝0且t(x,y‑1)≠0，则赋值t(x,y)＝t(x,y‑1)；
[0036] 步骤(5.2)、利用公式(11)计算得到t2(x,y)：
[0037] t2(x,y)＝F2(t1(x,y)) (11)
[0038] 其中F2(t(x,y))表示，如果t(x,y+1)‑t(x,y)>1且直到t(x,y+n)‑t(x,y)>1,则赋值t(x,y:y+n)＝t(x,y)+1；
[0039] 步骤(5.3)、利用公式(12)得到绝对条纹级次k2(x,y)；
[0040] k2(x,y)＝k1(x,y)+4(t2(x,y)‑1) (12)
[0041] 步骤(5.4)、最后利用公式(13)进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位[0042]
[0043] 进一步的，所述步骤六、三维重建，进行相位‑高度转换，得到被测物体的三维高度数据，具体包括，利用相位‑高度公式(14)得到物体表面每一点的高度信息：
[0044]
[0045] 其中f0为参考平面上的正弦条纹频率， 为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。DLP投影仪和相机CCD位于同一高度，d0为DLP投影仪和相机CCD之间的距离，l0为DLP投影仪和相机CCD到参考平面的距离。
[0046] 有益效果：
[0047] 本发明的方法相对于现有技术的优点在于，本发明只需投影三幅正弦相移条纹图和一幅(或多幅)多灰度级条纹图，所需投影的数量大大减少，耗时短，可有效提高测量速度，适合需要高速、实时三维测量的场合。
附图说明
[0048] 图1：(a)条纹图I1，(b)条纹图I2，(c)条纹图I3；
[0049] 图2：多灰度级条纹图I4；
[0050] 图3：绝对相位解算示意图，其中，曲线A为包裹相位，曲线B为绝对条纹级次，曲线C为绝对相位；
[0051] 图4：本发明的测试装置布置示意图。
具体实施方式
[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0053] 根据本发明的实施例，提出一种基于正弦和多灰度级条纹投影的快速三维测量方法，该方法包括下列步骤：
[0054] 步骤一、利用计算机生成多种条纹图，具体包括三幅正弦相移条纹图和多幅多灰度级条纹图；可选的，所述多灰度级是指至少两灰度级；
[0055] 步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集；
[0056] 步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；
[0057] 步骤四、对多灰度级图像进行阈值分割计算相对条纹级次，可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值；
[0058] 步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；
[0059] 步骤六、三维重建，进行相位‑高度转换，得到被测物体的三维高度数据。
[0060] 具体的，下面对各步骤进行详细说明。
[0061] 步骤一，如图1(a)‑(c)所示，利用计算机生成特定组合的三幅正弦相移条纹图I1、I2、I3并依次满足公式(1)、(2)、(3)，
[0062] I1(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx‑2π/3) (1)
[0063] I2(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx) (2)
[0064] I3(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos(2πTx+2π/3) (3)
[0065] 同时，生成多幅多灰度级条纹图，根据本发明的一个实施例，如图2所示，此处生成的多灰度级条纹图为四灰度级条纹图I4，I4是255，169,84，0为一个周期进行循环的条纹图像。I4每一个条纹所占像素是正弦条纹每个周期所占像素的N倍。
[0066] 公式(1)、(2)、(3)中，I1(x,y)、I2(x,y)和I3(x,y)依次为条纹图I1、I2和I3的光强，其中，I′(x,y)为图像直流分量，I″(x,y)为振幅，T为条纹图所包含的周期数。
[0067] 步骤二、用投影仪将多幅条纹图依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集；
[0068] 如图4所示，将被测物体放置在投影区域的平面内，用投影仪将步骤一所生成的多幅条纹图I1、I2、I3、I4依次投影到被测物体表面，对每幅投影图像用相机进行采集，依次获得被待测物体调制的多幅条纹图 其光强分布如下：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 其中，α(x,y)为被测物表面反射率，β1(x,y)为被物体反射的环境光，β2(x,y)为直接进入相机的环境光。
[0073] 步骤三、利用三幅正弦相移条纹图求解出包裹相位；具体包括：
[0074] 使 用 公 式 ( 7 ) 求 解 出 相 机 采 集 到 的 三 幅 正 弦 相 移 条 纹 图所包含的包裹相位
[0075]
[0076] 步骤四、使用合适阈值m1、m2、m3利用公式(8)将 分割,确定相对条纹级次k1(x,y)：
[0077]
[0078] 其中三个阈值的大小关系为：m1＞m2＞m3，可选的，可以利用直接照明分量和间接照明分量等算法计算合适阈值；
[0079] 步骤五、利用多灰度级图像对相对条纹级次计算得到绝对条纹级次。然后进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位；具体包括如下步骤：
[0080] 步骤(5.1)、然后利用公式(9)对k1(x,y)计算连通域得到t(x,y)；
[0081] t(x,y)＝bwlabel(k1(x,y)) (9)
[0082] 其中bwlabel(k1(x,y))表示，返回一个和k1(x,y)大小相同的矩阵，包含了标记了k1(x,y)中每个连通区域的类别标签，这些标签的值为1、2、n(连通区域的个数)。
[0083] 步骤(5.2)、利用公式(10)比较赋值运算将t(x,y)处理得到t1(x,y)。
[0084] t1(x,y)＝F1(t(x,y)) (10)
[0085] 其中F1(t(x,y))表示，如果t(x,y)＝0且t(x,y‑1)≠0，则赋值t(x,y)＝t(x,y‑1)。
[0086] 步骤(5.2)、利用公式(11)计算得到t2(x,y)：
[0087] t2(x,y)＝F2(t1(x,y)) (11)
[0088] 其中F2(t(x,y))表示，如果t(x,y+1)‑t(x,y)>1且直到t(x,y+n)‑t(x,y)>1,则赋值t(x,y:y+n)＝t(x,y)+1。
[0089] 步骤(5.3)、利用公式(12)得到绝对条纹级次k2(x,y)。
[0090] k2(x,y)＝k1(x,y)+4(t2(x,y)‑1) (12)
[0091] 步骤(5.4)、最后利用公式(13)进行相位解包裹获得用于三维重建的绝对相位[0092]
[0093] 如图3所示，曲线A为包裹相位，曲线B为绝对条纹级次，曲线C为绝对相位。
[0094] 步骤六、三维重建，相位‑高度转换。具体包括，三维重建，利用相位‑高度公式(14)得到物体表面每一点的高度信息：
[0095]
[0096] 其中f0为参考平面上的正弦条纹频率， 为物体表面和参考平面对应点的绝对相位差。DLP投影仪和相机CCD位于同一高度，d0为DLP投影仪和相机CCD之间的距离，l0为DLP投影仪和相机CCD到参考平面的距离。
[0097] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
