[發明專利]基于結構光投影的層級式快速三維測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201310426151.9
• 申請日: 2013-09-17
• 公開（公告）號: CN103438834A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 王好謙;張新;邵航;戴瓊海
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 王震宇

技術領域

本發明涉及光學和計算機視覺測量領域，特別是涉及一種基于結構光投影的層級式快速三維測量裝置及測量方法。

背景技術

采用光學和計算機視覺技術實時準確的獲取物體三維信息是一個非常重要的研究領域，具有非常廣泛的應用背景。結構光投影的三維信息獲取方法通過使用結構光投射裝置，按照預定的投射程序向被測場景投射結構光，結構光圖案被投射到被測場景上后，會受到被測場景三維信息的調制，從而使結構光圖案產生變形，使用單個或者多個攝像機對結構光圖案進行采集，通過對采集到的結構光圖案的分析，可以獲取被測場景的三維數據。

但是現在的結構光投影三維測量方案存在以下幾個缺點：

1.結構光模式過于簡單不能攜帶足夠的編碼信息，或者結構光模式足夠復雜但是解碼算法不能充分利用結構光編碼信息。

2.現有的某些三維測量系統不能對動態場景完成很好的測量。

4.某些三維測量系統雖然能測量動態場景但是誤差較大。

5.在精度要求較高的場合中所使用的三維測量系統價格昂貴，性價比不高，極大的限制了三維測量系統的推廣。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于結構光投影的層級式快速三維測量裝置及測量方法，既能滿足三維坐標測量密度，又能提高三維坐標測量的精度和速度。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于結構光投影的層級式快速三維測量裝置，包括：

結構光投射單元，用于投射結構光到被測場景，結構光的圖案包括方形柵格陣列，每個柵格單元內形成灰度漸變區域，多個特征圓以方形點陣的形式分布于柵格線的交點處；

雙目圖像采集單元，用于采集被測場景的左右視差圖像；

數據處理單元，連接所述結構光投射單元和所述雙目圖像采集單元，所述數據處理單元用于控制所述結構光投射單元投射結構光，以及接收所述雙目圖像采集單元采集的被測場景的左右視差圖像，并進行解碼以獲得被測場景的包括像素點深度坐標在內的三維信息，其中，所述數據處理單元檢測左右視差圖像中特征圓的位置并進行特征圓匹配，以匹配好的特征圓為中心檢測左右視差圖像中對應區域的柵格線并進行柵格線匹配，取匹配好的橫向和縱向各兩條相鄰的柵格線所圍的區域進行灰度匹配，得到像素點的視差，并根據視差確定像素點的深度坐標。

所述特征圓在所述結構光的圖案中具有最大灰度或最小灰度，相鄰特征圓在橫向及縱向上相隔兩個柵格單元。

所述灰度漸變區域的灰度在橫向上由小到大或由大到小漸變，所有柵格單元內的灰度漸變趨勢一致。

一種基于結構光投影的層級式快速三維測量方法，包括以下步驟：

結構光投射單元向被測場景投射結構光，結構光的圖案包括方形柵格陣列，每個柵格單元內形成灰度漸變區域，多個特征圓以方形點陣的形式分布于柵格線的交點處；

雙目圖像采集單元對被測場景的左右視差圖像進行采集并傳輸到數據處理單元；

數據處理單元對接收到的所述左右視差圖像進行解碼以獲得被測場景的包括像素點深度坐標在內的三維信息，所述解碼包括以下步驟：

a.檢測左右視差圖像中特征圓的位置并進行特征圓匹配；

b.以匹配好的特征圓為中心，檢測左右視差圖像中對應區域的柵格線并進行柵格線匹配；

c.對左右視差圖像中匹配好的橫向和縱向各兩條相鄰的柵格線所圍的區域，進行灰度匹配，得到像素點視差；

d.根據像素點視差確定像素點的深度坐標。

所述特征圓在所述結構光的圖案中具有最大灰度或最小灰度，相鄰特征圓在橫向及縱向上相隔兩個柵格單元。

所述灰度漸變區域的灰度在橫向上由小到大或由大到小漸變，所有柵格單元內的灰度漸變趨勢一致。

步驟a包括：

用較大的閾值T按照下式對左右視圖進行二值化，

其中，I_dst(x,y)為二值化處理結果，I_src(x,y)為原始圖像，x，y為坐標值，

通過二值化處理提取出左右視差圖像中特征圓的位置，并根據特征圓的位置，對左右視差圖像中檢測到的特征圓進行匹配。

步驟b中，所述區域為邊長為柵格單元邊長至少兩倍的方形區域。

步驟b中，檢測柵格線包括：

(1)使用如下高斯微分卷積核函數與圖像進行卷積計算，

g_x,δ(x,y)=g_δ(y)g′_δ(x)