[發明專利]基于微透鏡陣列的結構光快速成像方法及系統

有效

• 申請號: 202110134987.6
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112945141B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 楊劍
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 太原九得專利代理事務所(普通合伙) 14117
• 代理人: 高璇

本發明公開的基于微透鏡陣列的結構光快速成像方法及系統；包括如下步驟：S10，投影裝置產生結構光，并將結構光投射到被測物上；S20,將被測物、主透鏡、微透鏡陣列、圖像傳感器沿光路依次設置，使得入射光線依次通過主透鏡、微透鏡陣列直至圖像傳感器；S30，圖像傳感器采集被測物的結構光影像圖像，獲得被測物的四維光場信息；S40,成像計算裝置根據被測物的四維光場信息，進行深度計算，獲得被測物的三維重建圖像；具有能夠通過單臺相機單幅圖像即可實現快速、高精度、非接觸的三維重建的有益效果，適用于機器視覺測量的技術領域。

技術領域

本發明涉及機器視覺測量的技術領域，具體涉及基于微透鏡陣列的結構光快速成像方法及系統。

背景技術

近些年三維面型測量技術及立體視覺一直是研究及應用的熱點，在三維打印、工業加工制造、精密設備檢測、人工智能等方面都有廣泛的應用基礎。其中，機器視覺是最為實用的三維測量技術，其通過左右相機獲取具有視差的圖像，在相機內外參數已經標定的條件下，利用三角測量原理可以高精度的獲取物體的三維信息。

然而單目相機無法獲取準確的深度信息，而雙目相機圖像尚無法實現高準確度的圖像匹配，因此被動式的視覺系統很難應用于高精度的工業測量等領域中。利用結構光照明的主動三維測量方法，主動投射具有一定結構的圖案到物體表面，物體表面的三維形狀調制了光柵條紋，變形的紋理攜帶了物體的深度信息，并能夠較好的解決圖像對應點匹配問題，從而成為三維測量研究領域的主流。諸多研究人員對基于結構光的主動視覺三維測量技術進行了深入研究，其投射的圖案主要分為時間編碼型和空間編碼型。

空間編碼的方法通常只投射一幅圖案，圖中每個點的碼字根據其鄰近點的信息進行解讀，該類方法中基于偽隨機序列的空間編碼最為可靠，Morano等設計了偽隨機空間編碼，利用關聯性查找左右相機之間的匹配點，隨后出現了隨機直線編碼，I.A.Ypsilos討論了七種常用隨機編碼模式圖案，包含隨機線和隨機點，實驗結果表明隨機點模式要比隨機線模式取得更好的重建精度，隨后De Brui jn隨機空間編碼和基于激光散斑方法成為該類方法中的核心算法?？臻g編碼具有只需要一幅圖像即可完成左右相機匹配的優點，可用于快速3D視覺重建，然而空間編碼的形式測量物體外形時發現其對于銳角部分即物體細節部分重建結果被平滑，測量精度有限并且解碼困難。

時間編碼方法是碼字按照時間序列進行編碼，按先后順序依次投射到被測物體表面。其中格雷碼加相移方法和多頻外差技術在性能及可靠性方面最為優異，此類方法根據相位值實現左右相機圖像的匹配，從而可以得到較高的匹配率以及密集點云。格雷碼構成的碼字用于確定截斷相位的周期數，然而該方法無法有效的處理陰影問題。基于多頻外差的重構方法可有效的克服陰影問題，利用多個短周期的光柵條紋圖合成長周期的莫爾條紋，從而將整個視場對應到一個周期內。該方法具有高精度、高可靠、誤差不擴散等優點，其不足在于需要投射十副左右的光柵圖案才能完成重建任務，因此通常只適用于靜態物體的測量；

如上所述，時間編碼方法，具有性能穩定，抗干擾能力強的優點，需要投射多幅圖像，測量周期較長；空間編碼方法具有快速的優點，可用于動態三維檢測，但其測量精度有限同時變形后的圖案解碼困難；上述方法通常均需要雙目相機實現對應點的精確匹配，利用三角法實現深度信息的獲取。

因此，如何通過單目相機快速的實時獲取物體的深度信息成為需要解決的問題。

發明內容

針對相關技術中存在的不足，本發明所要解決的技術問題在于：提供一種基于微透鏡陣列的結構光三維成像快速方法及系統，能夠通過單臺相機單幅圖像即可實現快速、高精度、非接觸的三維重建。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：基于微透鏡陣列的結構光快速成像方法，包括如下步驟：

S10，投影裝置產生結構光，并將結構光投射到被測物上；

S20,將被測物、主透鏡、微透鏡陣列、圖像傳感器沿光路依次設置，使得入射光線依次通過主透鏡、微透鏡陣列直至圖像傳感器；