[發(fā)明專利]一種光學(xué)三維傳感獲取物體三維圖像的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910095952.5
• 申請(qǐng)日: 2009-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN101504277A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李勇;金洪震;王輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25;G06T15/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 徐關(guān)壽

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于可見光及紅外區(qū)域的光學(xué)三維傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于結(jié)構(gòu)光照明的光學(xué)三維傳感獲取物體三維圖像的方法。

背景技術(shù)：

基于結(jié)構(gòu)光照明的光學(xué)三維傳感技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制、機(jī)器視覺、影視特技和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵之一是投影平面與攝像機(jī)像面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配。通常利用顏色、灰度、光柵相位和利用上述參數(shù)編碼的符號(hào)或符號(hào)序列等實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配。

圖1為結(jié)構(gòu)光照明三維成像技術(shù)的系統(tǒng)示意圖。它由投影儀和攝像機(jī)構(gòu)成。O_p、O_c分別為投影儀和攝像機(jī)光心，(x_p0，y_p0)、(x_c0，y_c0)分別為投影儀和攝像機(jī)主?點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。P_p、P_c為一對(duì)投影平面和攝像機(jī)像面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。P為物體表面上的測(cè)量點(diǎn)，其坐標(biāo)為(X_w，Y_w，Z_w)。由投影儀投出特定的圖案，攝像機(jī)在另一位置拍攝被物體表面反射回來(lái)的變形圖案。通過(guò)分析拍攝到的圖像，獲得與攝像機(jī)像面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影平面上點(diǎn)的坐標(biāo)。最后在由PO_cO_p構(gòu)成的三角形中，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出P點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而恢復(fù)出物體三維形貌。

已有的結(jié)構(gòu)光照明三維傳感技術(shù)，按是否與顏色有關(guān)，可分為基于顏色和基于灰度的編碼方案。按用于編碼的參數(shù)不同，可分為正弦光柵相位編碼方案和光強(qiáng)編碼方案。

相位編碼方案主要有相位測(cè)量輪廓術(shù)PMP和傅立葉變換輪廓術(shù)FTP等。

光強(qiáng)編碼方案可分為時(shí)間編碼方案，空間鄰域編碼方案和直接編碼方案三類。采用正弦光柵投影的技術(shù)可以得到高分辨率的測(cè)量結(jié)果。但是采用單頻正弦光柵投影，對(duì)不連續(xù)物體的相位展開比較困難。這一問(wèn)題可以采用時(shí)間相位展開法或與格雷碼結(jié)合等方法解決，但測(cè)量的時(shí)間復(fù)雜度會(huì)增加。也可以采用復(fù)合光柵或與彩色及二值編碼結(jié)合的方法解決，但對(duì)測(cè)量范圍或?qū)ξ矬w表面紋理有一定限制。

時(shí)間編碼方案由于需要投影較多的模式，測(cè)量的時(shí)間復(fù)雜度通常較高，不易達(dá)到高密度測(cè)量，但測(cè)量精度較高。

空間編碼方案測(cè)量速度快，但解碼過(guò)程比較復(fù)雜，通常精度不高，空間分辨率較低。

直接編碼方案通常僅適用于非彩色或淺色物體的測(cè)量，而且不易達(dá)到高的測(cè)量精度。

基于顏色的空間鄰域編碼方案是目前研究較多的結(jié)構(gòu)光照明三維成像技術(shù)。但這類技術(shù)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即對(duì)測(cè)量物體的顏色有限制，也不能同時(shí)從編碼圖像中獲取物體紋理。

發(fā)明內(nèi)容：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種優(yōu)化的光學(xué)三維傳感獲取物體三維圖像的方法。這種方案具有測(cè)量速度介于普通PMP與時(shí)間編碼方案之間，測(cè)量精度及魯棒性與時(shí)間編碼方案相當(dāng)，分辨率與PMP相當(dāng)。不僅可以得到高密度的三維測(cè)量結(jié)果并且可以同時(shí)獲得物體的紋理。只要有足夠多的編碼區(qū)域投影到孤立物體上，它也可以被測(cè)量。

一種光學(xué)三維傳感獲取物體三維圖像的方法，包括以下步驟：

步驟一：至少一個(gè)配備二值時(shí)空光柵的光結(jié)構(gòu)化裝置向物體投射結(jié)構(gòu)光；

步驟二；至少一個(gè)攝像機(jī)在另一位置拍攝被物體反射回來(lái)的變形圖像；

步驟三：對(duì)物體反射回來(lái)的變形圖像進(jìn)行分析，獲得與攝像機(jī)像面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影平面上點(diǎn)的坐標(biāo)；

步驟四：根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出物體測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行三維重構(gòu)，恢復(fù)出物體三維形貌。

其中二值時(shí)空編碼光柵由一套在同一空間位置上順序顯示的二值光柵組成。其的核心技術(shù)是，用投影平面上稱為編碼單元的若干相鄰像素點(diǎn)的局部空間坐標(biāo)和它們的狀態(tài)為1時(shí)的相對(duì)時(shí)間坐標(biāo)的組合來(lái)編碼一組符號(hào)；然后用由這組符號(hào)構(gòu)成的偽隨機(jī)序列來(lái)確定每幅二值光柵的總體結(jié)構(gòu)。

偽隨機(jī)序列滿足如下條件：

在序列中，大于等于窗口長(zhǎng)度的子序列是唯一的；在任意長(zhǎng)度等于窗口長(zhǎng)度的子序列內(nèi)無(wú)重復(fù)符號(hào)。

比如窗口長(zhǎng)度為4的序列

“ABDECFADBEFDBECDABFECBDEFBDCEABCDAECFBDE”。

投影平面上每一像素點(diǎn)的狀態(tài)滿足如下要求：在且僅在一幅光柵中為1，在其他光柵中都為0。

相鄰的編碼單元采用時(shí)間坐標(biāo)來(lái)區(qū)別，像素點(diǎn)狀態(tài)為1時(shí)的相對(duì)時(shí)間坐標(biāo)小于閾值的歸為1個(gè)編碼單元，大于等于閾值的歸為另一編碼單元。