[發(fā)明專利]一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)

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• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112361993A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡曙陽;李啟壯
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)，屬于三維檢測技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要為通過對三步相移法表面產(chǎn)生的光柵條紋圖像進行投影，得到光柵條紋投射到物體上產(chǎn)生變形的光柵條紋信息，用三步相移法和Flood Fill法相結(jié)合的方法進行相位解包裹計算，根據(jù)相位信息生成三維點云圖像，提高了三維重建的速度和精度；另一方面，本發(fā)明只需要一臺投影設(shè)備和照相設(shè)備即可完成物體的三維掃描，具有效率高、成本低、操作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、可實現(xiàn)各種條件下物體三維重建等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)，屬于三維檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高推動了三維檢測技術(shù)的快速發(fā)展。三維檢測技術(shù)是指運用三維檢測方法和設(shè)備，將物體形狀轉(zhuǎn)換為離散的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過程。傳統(tǒng)方法通常是利用三坐標(biāo)測量機對物體的三維輪廓進行提取，這種方法雖然測量精度較高，但是這種方法測量周期長、對柔軟物體表面測量時會出現(xiàn)損傷以及難以檢測具有復(fù)雜內(nèi)部型腔的工件。所以，具有非接觸、全場檢測、精度高、速度快、低成本和易于實現(xiàn)等優(yōu)點的結(jié)構(gòu)光投影三維檢測技術(shù)得到迅速發(fā)展。

結(jié)構(gòu)光三維重建系統(tǒng)是一組由投影儀和攝像機組成的系統(tǒng)。通過數(shù)字投影儀將編制好的光柵條紋投射到被測物體表面上，經(jīng)被測物體調(diào)制后生成變形條紋，相機采集到到變形條紋并傳給計算機，經(jīng)過解相位得到相位分布，代入到相位信息-幾何信息關(guān)系式，得到三維幾何表面形貌。這種結(jié)構(gòu)光三維重建方法雖然能夠較為完整的實現(xiàn)三維物體掃描重建，但是也會受到相位測量方法和相位展開方法的限制，會嚴(yán)重影響實現(xiàn)物體三維重建的速度和精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的正是基于上述考慮，提出了一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)，該三維重建方法和系統(tǒng)具有速度快、精度高、可調(diào)節(jié)的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計了一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光柵條紋投影、三步相移法得到包裹相位信息、Flood Fill法進行相位展開、實現(xiàn)物體的三維重建。

所述的光柵條紋投影是對通過三步相移法編碼生成的三幅光柵條紋圖像用投影設(shè)備(2)進行投影，三幅光柵條紋圖像相移分別為-2π/3，0，2π/3。

所述的三步相移法得到相位信息是相機(3)拍攝獲得三幅光柵條紋圖像投影到被測物體(1)上的變形條紋圖像通過三步相移法計算得到被測物體(1)的包裹相位。

所述的Flood Fill法進行相位展開是對通過三步相移法計算得到的包裹相位信息進行加減2nπ的運算進行相位展開，得到真實相位信息。

所述的實現(xiàn)被測物體(1)的三維重建是對真實相位信息以及預(yù)設(shè)的投影設(shè)備(2)、相機(3)以及被測物體(1)之間的距離信息計算得到被測物體(1)的三維坐標(biāo)，實現(xiàn)被測物體(1)的三維重建。

上述所述一種基于三步相移法和Flood Fill法的三維重建方法及系統(tǒng)，包括以下步驟：

(1)通過三步相移法編碼生成的三幅光柵條紋圖像相移分別為-2π/3，0，2π/3，并將其通過投影設(shè)備投射到物體上，生成三幅光柵條紋圖像的表達式如下：

其中x，y為像素坐標(biāo)，I₁(x，y)、I₂(x，y)、I₃(x，y)分別為對應(yīng)的三幅光柵條紋圖像亮度，a為生成光柵的平均光強系數(shù)，b為生成光柵的光強幅值調(diào)制系數(shù)，為點(x,y)的編碼的絕對相位信息。

(2)通過相機捕獲到三幅投射到物體上產(chǎn)生變形的條紋圖像，捕獲的三幅圖像的光強表示為：