[發(fā)明專利]一種基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811383825.0
• 申請(qǐng)日: 2018-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109307483B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦大輝;蘇銘著;程棟;段云飛;邵永波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25
• 代理公司: 深圳市智科友專利商標(biāo)事務(wù)所 44241
• 代理人: 周小年

本發(fā)明涉及一種基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法，其首先建立結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以確定攝像機(jī)與投影儀的投影參數(shù)矩陣；接著由投射到被測(cè)目標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光獲取包裹相位；然后給定最近深度平面，根據(jù)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的幾何約束建立由攝像機(jī)傳感器到投影儀傳感器間的映射關(guān)系，依照此映射關(guān)系確定出最小虛擬相位圖；最后根據(jù)確定出的最小虛擬相位圖實(shí)現(xiàn)相位展開(kāi)。本發(fā)明通過(guò)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的幾何約束建立起的最小虛擬相位圖為理想的、無(wú)噪聲的絕對(duì)相位圖，輔助相位展開(kāi)時(shí)魯棒性更高，且不需要額外的圖像采集或增加額外的硬件設(shè)備，提升了相位展開(kāi)速度，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三維形狀測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法。

背景技術(shù)

近些年，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、光電技術(shù)和數(shù)字圖像處理等技術(shù)的不斷完善，非接觸式三維測(cè)量方法得以快速發(fā)展。按照測(cè)量原理和測(cè)量裝置的不同，非接觸式測(cè)量可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式主要依靠自然光源進(jìn)行測(cè)量，主動(dòng)式則一般通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)射光信號(hào)，再捕獲投射到被測(cè)目標(biāo)的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。而在眾多的非接觸三維形狀測(cè)量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光法中的光柵條紋投影類方法以其高精度、高效率、高魯棒性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

此類方法主要通過(guò)投影系統(tǒng)將特定編碼的光柵條紋作為結(jié)構(gòu)光投影圖案投影到被測(cè)目標(biāo)表面，然后利用攝像機(jī)捕獲經(jīng)表面調(diào)制后反射的結(jié)構(gòu)光，繼而分析處理變形條紋圖，得到正確的相位分布，最后完成被測(cè)目標(biāo)的三維形狀重建。其中，利用反正切函數(shù)處理變形相位后得到的相位值范圍為(-π，π]，從而產(chǎn)生連續(xù)相位被截?cái)嗟默F(xiàn)象，被截?cái)嗟南辔环Q作包裹相位，包裹相位值同實(shí)際所求連續(xù)的相位值之間相差2kπ。因此，要完成三維重建則必須對(duì)包裹相位間斷點(diǎn)進(jìn)行加減2kπ處理，以獲取真實(shí)連續(xù)的相位值，這一計(jì)算真實(shí)相位值的過(guò)程就稱為相位展開(kāi)。

相位展開(kāi)方法分為空間相位展開(kāi)法和時(shí)間相位展開(kāi)法兩大類。空間相位展開(kāi)即沿包裹相位所在的二維平面通過(guò)比較相鄰像素點(diǎn)間的相位進(jìn)行展開(kāi)；由于空間相位展開(kāi)中各像素點(diǎn)相位相互影響，因此展開(kāi)速度較慢、易導(dǎo)致誤差傳播，且無(wú)法同時(shí)測(cè)量多個(gè)獨(dú)立的物體。時(shí)間相位展開(kāi)通過(guò)獲取一組不同頻率條紋的包裹相位，然后沿時(shí)間軸進(jìn)行相位展開(kāi)；時(shí)間相位展開(kāi)獲得的相位為絕對(duì)相位，每個(gè)像素點(diǎn)相位在時(shí)間軸上獨(dú)立地展開(kāi)，可有效避免誤差的傳播且能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)物體的測(cè)量，但是其需要采集額外圖像無(wú)疑大幅降低了測(cè)量速度且多幅圖像中含有的固有噪聲易導(dǎo)致錯(cuò)誤的相位展開(kāi)，若采用增添額外攝像設(shè)備以建立約束條件的方法則增加了系統(tǒng)制造的成本與復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種提高運(yùn)行速度及魯棒性的基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法，包括以下步驟：

步驟1，構(gòu)建光柵投影的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)，標(biāo)定攝像機(jī)與投影儀，得到相應(yīng)投影參數(shù)矩陣；

步驟2，投影儀向被測(cè)目標(biāo)投影光柵條紋圖案，并由攝像機(jī)采集經(jīng)被測(cè)目標(biāo)表面調(diào)制的變形光柵條紋圖，計(jì)算處理得到包裹相位；

步驟3，給定最近深度的虛擬平面z_min，根據(jù)幾何光學(xué)和鏡頭針孔模型，將攝像機(jī)映射平面映射到投影儀成像平面，通過(guò)投影儀成像平面上相應(yīng)的攝像機(jī)映射平面預(yù)定義相位圖，建立相應(yīng)最小虛擬相位圖Φ_min；

步驟4，根據(jù)最小虛擬相位圖Φ_min確定出各點(diǎn)的條紋級(jí)次K，實(shí)現(xiàn)包裹相位的展開(kāi)。

進(jìn)一步的，上述的基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法：步驟1中標(biāo)定攝像機(jī)與投影儀時(shí)，在同一個(gè)世界坐標(biāo)系下對(duì)攝像機(jī)和投影儀進(jìn)行標(biāo)定，且將世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)鏡頭坐標(biāo)系重合。

進(jìn)一步的，上述的基于結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)幾何約束的相位展開(kāi)方法：所述步驟3中最小虛擬相位圖Φ_min按如下步驟獲得：