[發明專利]一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置

有效

• 申請號: 202011533705.1
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112762859B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 游志勝;朱江平;程鵬;周佩;張自力
• 申請（專利權）人: 四川大學;四川川大智勝軟件股份有限公司
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G06V40/16;G06T17/00
• 代理公司: 四川力久律師事務所 51221
• 代理人: 韓洋

1.一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置，包括N個結構光投射模組、合光棱鏡和投影鏡組，其特征在于，

所述N個結構光投射模組按照預定時序依次開啟，生成N個正弦條紋結構光場；

所述合光棱鏡用于將所述N個正弦條紋結構光場進行光路轉換，輸出所述N個正弦條紋結構光場到所述投影鏡組；

所述投影鏡組用于將所述N個正弦條紋結構光場投射到同一待測目標；

其中，所述N個正弦條紋結構光場投射到同一待測目標時，具有相同的成像位置，并且時序上相鄰的正弦條紋結構光場之間存在2π/N的空間相位間隔；

所述結構光投射模組包括照明光源、復合透鏡陣列、結構光模板和濾光片；

所述照明光源用于提供不同波長的光源；

所述復合透鏡陣列用于將所述光源形成均勻的發光面；

所述結構光模板上有條紋狀結構光模板圖案，當所述均勻的發光面投射到所述結構光模板上時，通過所述結構光模板圖案形成正弦條紋結構光場，N個不同波長λ的LED光源照明的正弦條紋結構光模板具有恒定的2π/N的空間相移間隔，且正弦條紋結構光模板之間的相位間隔通過預先制作在模板上的幾何標記進行納米級對準，從而保證結構光模板圖案之間準確的相位間隔；正弦條紋結構光模板由玻璃板、金屬板或者塑料板制作而成，制作過程包括印刷和蝕刻，模板圖案通過誤差擴散二值圖案進行光場調制；

所述濾光片用于從所述正弦條紋結構光場中選取出所需輻射波段并輸出到所述合光棱鏡；

所述結構光模板上還設置有對準標記，所述對準標記用于調整所述正弦條紋結構光場的投射位置，并且所述對準標記用于調整所述正弦結構光模板的幾何位置，使得時序上相鄰的結構光模板的條紋狀結構光模板圖案之間存在2π/N的空間相位間隔；

所述合光棱鏡上鍍膜，鍍膜的位置與各結構光投射模組發出光路的波長相匹配，使得所述各結構光投射模組發出的光路能通過同一個投影鏡組投射到同一個待測目標；

還包括準直透鏡，所述準直透鏡的后焦面對接所述復合透鏡陣列，用于減小光線的發散角。

2.如權利要求1所述的一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置，其特征在于，調整所述正弦結構光模板的幾何位置時，時序上相鄰的結構光模板的條紋狀結構光模板圖案之間的幾何位置偏差在納米級范圍。

3.如權利要求2所述的一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置，其特征在于，所述照明光源的光譜范圍包括可見光光譜范圍和近紅外光光譜范圍。

4.如權利要求1所述的一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置，其特征在于，還包括校準工具，所述校準工具具有與皮膚相似的反射特性，用于調節所述照明光源的對比度和亮度，當各結構光投射模組的照明光源波長不同時，調節正弦條紋結構光場具有相同的對比度和亮度。

5.一種高速高精度條紋結構光場三維成像系統，其特征在于，包括如權利要求1-4任一所述的一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置、系統控制單元、成像系統和三維重建算法模塊，

所述條紋結構光場投影裝置用于將所述N個正弦條紋結構光場投射到同一待測目標；

所述成像系統用于拍攝被所述待測目標表面調制的結構光圖像，獲取結構光場圖像序列，并將所述結構光場圖像序列輸出到三維重建算法模塊；

所述三維重建算法模塊根據所述結構光場圖像序列計算出所述待測目標的三維重建數據；

所述系統控制單元用于控制多個所述條紋結構光場投影裝置的投射模組按照預定時序依次開啟，并且用于控制所述成像系統按照所述時序同步拍攝所述待測目標表面調制的結構光圖像，所述系統控制單元還控制所述三維重建算法模塊計算出所述待測目標的三維重建數據。

6.一種三維重建方法，其特征在于，包括以下步驟：

S500，采用如權利要求1-4任一所述的一種非數字光機正弦條紋結構光高精度三維測量裝置將N個正弦條紋結構光場按照預定時序依次投射到同一待測目標上，并同時拍攝被所述待測目標表面調制的結構光圖像，獲取N步相移條紋立體圖像對；

S501，基于所述N步相移條紋立體圖像對，利用最小二乘法計算立體截斷相位對；

S502，對所述立體截斷相位對進行展開得到相對連續相位，并利用系統標定參數進行畸變和極線校正；

S503，利用所述N步相移條紋立體圖像對的兩個視角的紋理圖，并進行人臉特征點檢測；

S504，利用同名人臉特征點確立統一相位展開起點，并利用相位匹配生成視差圖；

S505，利用系統標定參數，基于步驟S504得到的視差圖進行三維人臉重建，得到三維人臉的點云數據。