[發明專利]針對條紋投影三維測量系統離焦現象的相位誤差校正方法

有效

• 申請號: 201711442917.7
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108168464B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 達飛鵬;饒立
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 32206 南京眾聯專利代理有限公司
• 代理人: 顧進

本發明公開了一種針對條紋投影三維測量系統離焦現象的相位誤差校正方法，該方法包括首先由計算機生成相移條紋圖像，并用相機采集。然后，對于采集到的圖像，計算背景圖像I'和含誤差的相位φ'，并對于背景圖I'進行邊緣提取。獲取邊緣圖之后計算每個邊緣像素的點擴散函數(PSF)。然后在相位圖φ'中用梯度濾波和鄰域平均法計算每個待處理像素的相位梯度方向和相位密度。最后對于待處理的像素，逐像素計算由相機離焦引起的相位誤差Δφ，從而獲取最終校正后的相位φ＝φ'?Δφ。校正后的相位信息可以通過相位?高度映射關系轉化為待測物體的三維信息。

技術領域：

本發明屬于計算機視覺中三維重構的領域，具體涉及一種針對條紋投影三維測量系統離焦現象的相位誤差校正方法。

背景技術：

基于條紋投影的三維測量技術FPP(fringe projection profilometry)由于其精度高，速度快，受環境光影響較小等優點，近年來受到了廣泛的研究和應用。作為一種基于主動光投影的三維測量方法，FPP也有相應的局限性。在主動光投影技術中，常常假定待測物體表面的某一物點僅直接接收來自于投影設備傳感器的光照。這個假設在許多實際情況中并不成立。物體上某一物點除了直接接收投影儀某一像素的光照外，還可能接收因互反射，次表面散射和離焦等現象引起的非直接光照。在FPP系統中如果不考慮這些非直接光照，可能會導致較為明顯的系統誤差。

在實際測量過程中，由于相機鏡頭的景深十分有限以及物體形貌變化復雜，相機離焦現象十分常見。尤其是當FPP系統測量視場較小時，由于景深限制，相機離焦現象幾乎是不可避免的。作為上述非直接光照的一種，相機離焦現象將會在圖片中產生局部模糊，從而影響最終應用相移算法解得的相位精度。除了相機離焦現象，局部模糊還會由投影儀離焦和次表面散射兩個因素引起。雖然本專利僅針對相機離焦現象提出相位校正算法，但由于次表面散射和相機離焦現象在FPP系統中產生相位誤差的機理相似，故本專利的方法也可以一定程度上用于校正次表面散射現象引起的相位誤差。另外，一定程度的投影儀離焦現象不會對相位誤差產生影響，故不在本專利討論范圍之內。

針對包括相機離焦現象在內的非直接光照對相位的影響，目前絕大部分解決方法是基于高頻條紋投影的方法。其原理是當投影的條紋頻率很高時，非直接光照引起的誤差可以被抵消掉。該類方法可以一定程度地解決非直接光照如互相反射和次表面散射引起的相位誤差，但是卻對相機離焦現象作用不大。其原因是相機離焦現象產生的模糊往往非常局部，圖像中某像素僅接收物體表面很小區域的反射光。在這種情況下，基于高頻條紋投影的方法必須要投影頻率非常高的條紋圖才能有效抑制相機離焦產生的影響。但是工業投影儀無法準確投影條紋寬度非常小的條紋，例如對于常見的投影儀，當投影條紋寬度小于8個像素時，投影儀往往無法準確投射。所以該類方法無法用來解決FPP系統中相機離焦引起的相位誤差。

發明內容：

本發明旨在提供一種針對條紋投影三維測量系統離焦現象的相位誤差校正方法，先分析出由相機離焦引起的相位誤差的解析表達式，然后直接求解該相位誤差并對相位進行校正的方法。該方法作為一種數學算法，對測量系統沒有額外的硬件需求，也無需投影額外的條紋圖，直接利用原始受相機離焦現象影響的條紋圖即可完成校正。校正后的相位結合標定參數可以獲取高精度的三維重構結果。

為解決上述問題，本發明采用以下技術方案：

一種針對條紋投影三維測量系統離焦現象的相位誤差校正方法，該方法包括如下步驟：

S1.使用投影儀在物體上投射所需的N幅標準相移正弦條紋圖像，對N幅條紋圖進行采集；

S2.對于步驟S1中采集得到的條紋圖，求解背景圖像I',然后用傳統相移法求解帶有相位誤差Δφ(x_c)的相位

S3.對S2中得到的背景圖像I'進行邊緣提取；

S4.用步驟S3中得到的邊緣圖像，恢復背景圖像I'在離焦之前的清晰背景圖像I′_s；