[發明專利]投射多頻光柵的物體表面三維輪廓的視覺測量方法

有效

• 申請號: 200610010284.8
• 申請日: 2006-07-13
• 公開（公告）號: CN101105393A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 周波
• 申請（專利權）人: 周波
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/25;G01B21/20;G06T15/00
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• 代理人: 暫無信息

技術領域??物體表面三維輪廓測量技術領域

背景技術

采用計算機視覺測量物體輪廓技術是目前三維測量的研究熱點，它具有結構簡單、非接觸、高速度、高精度和高可靠性的優點?？蓮V泛地應用于航空航天、機械制造、醫療診斷、計算機輔助設計與制造、逆向工程設計、虛擬現實和三維動畫制作等領域。

用二維光學圖像恢復物體的三維幾何信息，主要有兩方面的技術難點：一是光學圖像的灰度雖然反映了三維物體的幾何信息，但又與物體的材料、紋理、光源等其它許多因素有關，因此，由二維圖像恢復物體三維幾何形狀是一個具有多解性的反問題；二是用多幅二維圖像恢復三維信息，必須解決點的“對應”問題，即確定多幅圖像間特征點之間的對應關系，這也是一個多解問題。

通過將具有正弦分布的光柵投射到被測物體的表面，由攝像機采集由于物體表面的起伏使光柵條紋發生畸變的圖像，通過相位移動技術，獲取與物體高度相關的相位信息。這項技術為解決用二維光學圖像恢復物體的三維幾何信息的多解性問題提供了條件。然而，投射光柵條紋提取的相位在-π與π之間折疊，存在著2π折疊問題，需要進行相位展開才能得到真實相位。對于理想的簡單相位圖，相位展開十分簡單，在展開方向上，比較兩個相鄰點的相位，如果兩者的相位差大于-π，則后一點加上2π，如果兩者的相位差大于π，則后一點減去2π。但是，如果物體表面的變化也使得兩個相鄰點的相位變化大于π，則相位展開無法進行。因此相位展開成為制約三維測量技術應用的一個瓶頸問題。

專利(CN?1203292C)通過Gray編碼，將測量區域分割成2^N個條形區域，再利用多步相移測量技術獲得每個區域的相位，兩者的組合避開了相位展開問題，而且，只要根據相位和外極線的約束就能夠解決左右圖像上像點的“對應”問題。但是，這種方法會由于馬赫范得效應(Mach?Band?Effect)會產生錯誤的編碼，并且這種方法對于測量環境要求高，噪聲敏感。

一種稱作雙頻輪廓術的方法，首先在全場投射只用一個條紋的光柵，則測量范圍內所有像點的展開相位與折疊相位相同，分布在-π與π之間，無須展開；然后投射有多個條紋的光柵，由多條紋光柵獲得的相位存在2π折疊問題，以單條紋光柵的相位為參考，利用相位與高度的關系確定多條紋光柵相位展開時的增減2π的數目。由于單條紋相位中含有較大的噪聲，在以它為參考直接展開多條紋光柵相位時，會產生較大誤差。還有一些采用多個光柵的投影方案，如光柵條紋指數遞增方案(f＝1，2，4，8，16，32，64，128)，需要投射的光柵數目較多。

發明內容

通過向物體表面投射三個(或多個)頻率的光柵，由安裝在投影機兩側的攝像機拍攝被物體表面調制的光柵條紋，采用一種新的相位展開技術，計算左、右攝像機拍攝圖像上的每一點的相位，以相位值和立體視覺中的外極線作為約束，實現左、右兩幅圖像上的點的唯一匹配，進而求出物體表面各點的三維坐標。

它包括如下步驟：

(1)計算機生成虛擬光柵，其中包括三組相移光柵，利用投影儀將生成的光柵投射到物體上；

(2)利用兩臺攝像機采集物體上的條紋圖像，并保存在計算機的內存中；

(3)對每一個攝像機拍攝的圖像采用新的相位展開技術進行處理，得到圖像上每一點的相位值；兩個攝像機拍攝的圖像上，對應在物體表面上同一點的相位值是相等的，因此，可用相位值作為對應點的匹配的依據。

(4)對兩個攝像機進行定標，得到攝像機的內部參數即相對于世界坐標的外部參數：

(5)根據相位和外極線對每一點進行三維重構，計算物體表面點的三維坐標：

1、投射三個(或多個)頻率的光柵，三個光柵的頻率之間具有如下特征：

(1)三個光柵都具有較高的頻率，使測量的相位具有較高的精度，按照頻率從高到低三個光柵的頻率分別為f₁、f₂、f₃；

(2)光柵頻率的關系：f₁-2f₂+f₃≤1

(3)投射光柵，物體表面的光強可表示為：