[發明專利]基于時域空域混合編碼的結構光條紋投射方法

有效

• 申請號: 201610959767.6
• 申請日: 2016-10-27
• 公開（公告）號: CN106643562B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 孫長庫;陸鵬;王鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及視覺檢測技術中的結構光投射條紋編碼方法，為使得結構光測量方法編碼原理相對簡單，測量速度較快，魯棒性強，且獲得的測量結果具有亞像素級精度等優點。本發明采用的技術方案是，基于時域空域混合編碼的結構光條紋投射方法，包括編碼投影步驟、條紋檢測步驟；編碼投影步驟包括時域編碼、空域編碼；然后進行條紋檢測。本發明主要應用于視覺檢測場合。

技術領域

本發明涉及視覺檢測技術中的結構光投射條紋編碼方法，具體涉及一種基于時域空域混合編碼的結構光條紋投射方法。

背景技術

結構光三維視覺測量技術，具有視覺測量的非接觸、速度快、自動化程度高，柔性好等優點。結構光三維視覺基于光學三角法原理，通過計算采集圖像的各種光模式特征點的偏移信息反算出被測物體的表面輪廓。光學投射器投射確定的光模式，使得結構光圖像信息易于提取，因而測量精度較高，廣泛應用于各種工業產品的在線檢測。

面結構光投射方式相比較于點結構光和線結構光具有不需要運動機構協助，可實現實時測量，系統成本低等優點在近些年來得到了發展。因結構光光學投射器投射出的圖案和攝像機需要拍攝的圖片數量不同，可以分為彩色編碼投射法，灰度編碼法，基于傅里葉變換的投射方法，條紋序列投射法和混合圖案投射法等。其中彩色編碼投射法只需要拍攝一幅圖片就可以完成測量，但是其缺點也顯而易見，在測量部分彩色物體時，這種方法的測量信息會受到被測物表面顏色的干擾，使測量結果變得不可靠。灰度編碼法同樣需要拍攝一幅圖片就可以完成測量，并且測量結果不受被測物表面色彩的干擾，但是由于其解碼原理是在空域上實現的，因此為了測量表面不連續的物體這種方法編碼時需要采用pseudo隨機二維序列(PRBA)的原理實現。基于傅里葉變換的條紋投射方法是一種比較經典的空域結構光測量方法，但是如何防止其頻譜泄露一直是難以解決的問題，而且這種方法解相位算法復雜，不適合測量表面不連續的物體，在具體應用時具有較多問題。條紋序列投射法是一種時域條紋投射方法，可以測量具有任意表面特征的物體，但是由于其需要拍攝的圖像過多，在實際測量時難以提高測量速度。當測量速度的要求不是很高時，可以將以上的兩種或更多的方法結合來進行測量，這就是混合圖案投射法。一種比較經典的方法就是格雷碼結合相移的方法，這種方法不僅克服了相移法解相位算法復雜的問題，而且也相較于格雷碼測量方法具有更高的測量精度。斯坦福大學的Hall-HoltO等人設計了一種條紋投射方法，通過投射四幅不同的二值條紋圖案實現了三維形貌測量，但是這種方法只能達到像素級精度且測量結果容易受被測物表面紋理的影響。清華大學徐靜等人設計了一種時域結合空域編碼的條紋投射方法，通過投射三幅不同的二值條紋圖案，實現了物體表面的三維形貌測量。但是這種方法提取條紋亞像素級坐標方法困難，并且各條紋之間具有較多約束，因而編碼過程較為復雜。總結上述研究可以發現，一種好的條紋投射方法不僅要求編碼方法相對簡單，測量精度高，魯棒性強，且要求需要拍攝的圖像數量盡量少。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提供一種時域結合空域混合編碼的結構光投射方式，使得結構光測量方法編碼原理相對簡單，測量速度較快，魯棒性強，且獲得的測量結果具有亞像素級精度等優點。本發明采用的技術方案是，基于時域空域混合編碼的結構光條紋投射方法，包括編碼投影步驟、條紋檢測步驟；

編碼投影步驟包括時域編碼、空域編碼，時域編碼具體是，采用十進制來表述在時域上的編碼方式，單個周期的投影條紋隨著時間變化有001,010,011,100,101,110六種編碼情況，在這里，001代表投影儀投射的第一幅圖像和第二幅圖像的條紋編碼值是0，而對應的第三幅圖像的編碼值是1，其中0對應著相應圖像中的暗條紋，1對應著相應圖像中的亮條紋，將每個周期條紋的灰度分布設計為正弦式分布，如條紋編碼為1，則投射出的條紋灰度按正弦波的上半部分規律分布，反之，則按正弦波的下半部分規律分布，其具體約束如式(1)：

其中，(u_i,v_i)為圖像坐標，w為每個條紋的周期寬度，(1)中上式為條紋編碼值為1的條紋灰度分布規律，下式則為條紋編碼值為0的條紋灰度分布規律；