[發(fā)明專利]一種基于投影儀散焦解相位的光柵投影三維快速測量方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201510320409.6 | 申請日： | 2015-06-11 |
| 公開（公告）號： | CN104897083B | 公開（公告）日： | 2017-04-26 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 達飛鵬;鄭東亮;趙立偉;肖毅鵬;戴鮮強;張璞 | 申請（專利權(quán)）人： | 東南大學(xué) |
| 主分類號： | G01B11/25 | 分類號： | G01B11/25 |
| 代理公司： | 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙)32204 | 代理人： | 王安琪 |
| 地址： | 210096 *** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 基于 投影儀 散焦 相位 光柵 投影 三維 快速 測量方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及三維信息重構(gòu)領(lǐng)域，尤其是一種基于投影儀散焦解相位的光柵投影三維快速測量方法。
背景技術(shù)
光學(xué)三維測量技術(shù)能夠準確獲取物體的三維面形數(shù)據(jù)，可用于三維模型重建、物體表面輪廓測量、工業(yè)環(huán)境中的尺寸和形位參數(shù)的檢測等，因此它在虛擬現(xiàn)實、投影特技、醫(yī)學(xué)整形和美容、工業(yè)產(chǎn)品的外觀設(shè)計、藝術(shù)雕塑和文物保護等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
光柵投影法是一種重要的三維測量技術(shù)，通過向物體表面投射正弦光柵，將物體的高度信息以相位的形式調(diào)制在光柵中，利用CCD相機獲得物體表面的光柵條紋圖像，并使用條紋分析方法對條紋圖像進行處理，提取其中的相位，從而建立物體的三維信息。
基于DLP(digital light processing)投影儀的數(shù)字光柵投影技術(shù)越來越多的用于高質(zhì)量實時光學(xué)三維測量，但傳統(tǒng)的三維測量方法往往無法同時達到高速和高質(zhì)量。在實時三維測量系統(tǒng)中，投影正弦光柵或是散焦二值光柵決定了測量系統(tǒng)所能達到的速度。
散焦是針對DLP投影而言。正常使用時，投影儀鏡頭一般調(diào)節(jié)到聚焦狀態(tài)，散焦是相對于聚焦而言，適當調(diào)節(jié)聚焦旋鈕使投影畫面模糊，即可達到不同程度的散焦。二值光柵散焦技術(shù)相對于傳統(tǒng)的正弦光柵投影技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。投影儀接受的始終是二值(0-1)圖像而非灰度圖像，因此相機采集各圖像通道數(shù)據(jù)時曝光時間可以設(shè)置為遠小于通道的持續(xù)時間，這使得測量速度達到DLP投影儀的最大刷新頻率120幀每秒。散焦技術(shù)的另一優(yōu)勢就是投影儀不需要非線性校正。
解相位是相位法中重要的一步，也是光柵投影法的基本問題之一。為了提高解相位的準確性，通常采用灰階碼等編碼方法，通過增加投影條紋的數(shù)量來獲得足夠的相位信息。相位法中獲得相位的過程分為兩步，第一步是通過相移法公式獲得條紋圖的相位場主值，相移法公式得到的是鋸齒形的相位場主值，值域位于(-π,+π]區(qū)間；第二步是將主值相位場恢復(fù)為全場完整的相位場，稱為解相位或解包裹。由此可見，解相位的關(guān)鍵就是確定光柵條紋的周期次數(shù)。灰階碼法給光柵上每個點一個灰階數(shù)，該灰階數(shù)對應(yīng)著該點的條紋周期次數(shù)，這就要用到輔助光柵條紋。每一幅輔助條紋圖像決定灰階數(shù)的一位數(shù)字的取值(0或1)，對每一個點來說，它在各輔助條紋圖像中的顏色(灰或白)的組合，就決定了它的灰階數(shù)。通過灰階碼可以確定通過時域確定條紋圖上每一點的條紋次數(shù)，而不依賴于空域上條紋的分布性質(zhì)，有效地克服了復(fù)雜表面、高度跳變、陰影等引起的誤判。用這種方法解得的相位，準確、方便、算法簡潔，但是需要另外增加若干輔助光柵條紋，這樣測量時速度較慢，提高了對光柵設(shè)備的要求，增加了系統(tǒng)的硬件成本和時間成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于投影儀散焦解相位的光柵投影三維快速測量方法，對散焦后的二值輔助光柵進行二值標準化，改善了灰階碼的準確性，提高了絕對相位的質(zhì)量。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于投影儀散焦解相位的光柵投影三維快速測量方法，包括如下步驟：
(1)利用計算機生成大小為M行N列的標準正弦光柵圖像I，每點的灰度計算公式為：
其中，I(i,j)為光柵圖像I在第i行第j列處的灰度值，p為光柵條紋周期，為光柵的相移量；
(2)I經(jīng)抖動算法處理生成二值抖動光柵圖D，D的大小與I相同；
(3)利用計算機生成大小為M行N列的二值輔助光柵圖G和一幅額外二值光柵圖F，即：
其中，F(xiàn)(i,j)為光柵圖像F在第i行第j列處的像素值；
(4)將二值抖動光柵圖D、二值輔助光柵圖G和額外二值光柵圖F通過投影儀散焦投射到被測目標上，用攝像機采集變形光柵條紋，得到大小為r行c列的圖像，其中D散焦后的正弦光柵可以表示為：
In(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/4]
其中，n＝0,1,2,3，In(x,y)為第n幅圖像的灰度值，I′(x,y)為條紋光強的背景值，I″(x,y)為調(diào)制強度，φ(x,y)為待求的主值相位分布，(x,y)表示變形光柵圖像中各像素點的二維坐標，取值范圍分別為：1≤x≤r,1≤y≤c；
(5)利用四步相移法求解主值相位φ(x,y)：
(6)將G散焦后的輔助光柵圖Gd和F散焦后的額外光柵圖Fd上所有像素點的值進行比較，得到標準化后的輔助光柵圖Gnd可以表示為：
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