[發明專利]一種應用于明暗反差大場景的高精度三維重建方法

無效

• 申請號: 201210344110.0
• 申請日: 2012-09-18
• 公開（公告）號: CN102881043A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 宋麗梅;楊燕罡;陳卓
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種應用于明暗反差大場景的高精度三維重建方法，更具體的說，本發明所提供的三維重建方法，可以實現明暗反差大場景下物體的高精度三維重建。

背景技術

三維重建方法已廣泛應用于工業檢測、逆向工程、人體掃描、文物保護、服裝鞋帽等多個領域，對自由曲面的檢測具有速度快、精度高的優勢。按照成像照明方式的不同，光學三維測量技術可分為被動三維測量和主動三維測量兩大類。在主動三維測量技術中，結構光三維測量技術發展最為迅速，尤其是相位測量輪廓術(Phase?Measuring?Profilometry，PMP)，也被稱為相移測量輪廓術(Phase?Shifting?Profilometry，PSP)，是目前三維測量產品中常用的測量方法。相位測量方法是向被測物體上投射固定周期的按照三角函數(正弦或者余弦)規律變化的光亮度圖像，此光亮度圖像經過大于3步的均勻相移，最好為4-6步均勻相移，向物體投射4-6次光亮度圖像，最終完成一個周期的相位移動。物體上面的每個點，經過相移圖像的投射后，在圖像中會分別獲得幾個不同的亮度值。此亮度值經過解相運算，會獲得唯一的相位值。由于目前采集到的圖像的幅面較大，為了提高相位精度，需要向被測物體投射多個周期的相位圖，因此，在一副圖像中，相同相位值會出現多次。為了在圖像中獲得唯一的相位值，格雷碼方法是常用的輔助解相方法。目前出現的三維測量產品，普遍采用格雷碼加相移的光學投射方法，如德國GOM公司的Atos-I型結構光三維測量系統、德國Steinbichler公司的COMMET系列結構光三維測量系統、德國Breuckmann公司的optoTOP系列結構光三維測量系統、北京天遠三維科技有限公司的OKIO-II型三維掃描儀、上海數造科技有限公司的3DSS綜合型三維掃描儀、天津世紀動力光電科學儀器有限公司的CPOS三維掃描儀等。由于格雷碼的編碼方法主要靠圖像的二值化來進行編碼，因此對于復雜場景中的物體以及物體表面顏色變化較多的情況，一般需要噴涂顯影劑才能實現較好的測量效果。

外差多頻方法是暨格雷碼方法之后提出的一種改進的三維重建方法，可以避免格雷碼僅僅使用二值化來進行閾值分割的情況。外差多頻的原理是利用三種不同頻率的相移光柵，兩兩疊加出一種更長波形的光柵，再利用兩個疊加后的光柵，最終疊加出全場唯一的相位。該方法由于需要進行三次疊加運算，如果背景復雜的情況下，疊加的相位存在很大的誤差，大大影響測量效果。因此，外差多頻方法雖然比格雷碼方法具有一定的優越性，但是仍然不能解決復雜場景情況下的高精度三維重建難題。

為了解決明暗反差大以及無法噴涂顯影劑的三維重建難題，本發明設計了一種新的三維重建方法，無需噴涂顯影劑，就可以高精度的恢復復雜環境以及顏色變化較多的物體的三維形貌。

發明內容

本發明提供一種基于相移光柵的三維重建方法，該方法能夠應用于高精度三維測量中，可以彌補格雷碼和外差多頻方法在三維重建過程中存在的缺陷。

所述的三維重建系統的硬件系統包括：

用于投射光信號的光源投射裝置，光源投射裝置的分辨率為L_R×L_C；

用于精度控制、圖像采集和數據處理的計算機；

用于采集圖像的彩色攝像機，圖像分辨率為C_R×C_C，相機個數為1-2個；

用于放置所述的光源投射裝置和所述的彩色攝像機的掃描平臺；

本發明所設計的三維重建方法，具體操作步驟如下：

步驟1：選取合適的λ₁、λ₂、λ₃三種波長的正弦或者余弦函數光柵，所述的三種波長的光柵的用途是，經過所述光學投影裝置轉化為亮度信息后，可以向物體投射相移光柵。λ₁、λ₂、λ₃的數值不同，為了表述方便，本發明暫且假設λ₁＞λ₂＞λ₃，如果相移光柵為豎向排列，則三種波長應滿足的關系如下式所示：

λ₁≥L_R?λ₁＝Mλ₂?λ₂＝Nλ₃(M和N為整數)?????????????公式(1)

如果相移光柵為橫向排列，則三種波長應滿足的關系如下：