[發(fā)明專利]三維重建量化結(jié)構(gòu)光相位圖像編碼方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110338000.2
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113345039B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 熊召龍;賴作鎂;葛雨辰;李順枝
• 申請（專利權(quán)）人: 西南電子技術(shù)研究所(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所)
• 主分類號: G06T9/20
• 分類號: G06T9/20;G06T7/80;G06T17/00
• 代理公司: 成飛(集團(tuán))公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發(fā)明公開的一種三維重建量化結(jié)構(gòu)光相位圖像編碼方法，靠性好，處理速度快，重建精度高，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：結(jié)構(gòu)光量化相位編碼規(guī)范設(shè)計模塊形成用于結(jié)構(gòu)光投影的量化相位編碼及其規(guī)范；量化相位及正弦條紋投影模塊根據(jù)上述規(guī)范，投用結(jié)構(gòu)光量化條紋，經(jīng)過被測物體表面形成變形條紋；相機(jī)標(biāo)定及變形條紋采集模塊對被測物體條紋上的相位編碼及特征點進(jìn)行采集，獲取三維信息；量化相位及絕對相位解碼模塊對多組候選碼字進(jìn)行自我校驗，恢復(fù)多步相移絕對相位，求解截斷相位查詢所屬對應(yīng)的碼字級次和絕對相位；完整三維目標(biāo)模型生成模塊根據(jù)展開的絕對相位和高度對應(yīng)關(guān)系，形成被測面型每像素點的三維坐標(biāo)，最終生成完整的三維點云模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在工業(yè)生產(chǎn)、逆向工程、航空測量以及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)光三維重建技術(shù)，特別涉及一種基于校驗碼字的三維重建量化結(jié)構(gòu)光相位圖像編碼方法結(jié)構(gòu)光三維重建量化相位編碼方法。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)由于其非接觸,高分辨率，高速度和全場自動化的優(yōu)點而被廣泛開發(fā)用于三維(3D)測量。條紋投影輪廓術(shù)(FPP)是三維測量中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)光技術(shù)之一，例如逆向工程、工業(yè)檢測、制造和機(jī)器人導(dǎo)航。FPP系統(tǒng)將條紋圖投影到被測物體上，并記錄被物體調(diào)制后的變形條紋圖，然后利用特定的條紋分析方法，使用處理/分析系統(tǒng)從記錄的圖像中計算出調(diào)制相位。提取相位的準(zhǔn)確性直接影響被測物體的三維重建結(jié)果。基于結(jié)構(gòu)光投影的主動式三維傳感方法，可以獲取被測三維物體極高精度的三維信息，同時具備非接觸、高分辨率、高速等優(yōu)勢，是目前精細(xì)三維重建領(lǐng)域研究的熱點。三維重建是通過二維圖像中的基元(如角點、邊緣、線條、邊界等基本特征)圖來恢復(fù)三維空間信息。從二維圖像到三維空間重建，也稱為立體視覺。這主要是對二維圖像中像素點的三維信息的恢復(fù)，尤其是深度信息。立體視覺是模擬人類利用雙目感知空間三維場景距離信息的視覺特點，實現(xiàn)對景物的立體(距離深度)信息的測量，其基本原理是從兩個(或多個)視點對同一景物在不同視角下成像，利用三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差(即視差)，進(jìn)而測量景物的三維深度信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。維重建技術(shù)的實現(xiàn)方法主要包括接觸式和非接觸式兩大類。接觸式法的典型代表是坐標(biāo)測量機(jī)。非接觸式法主要分為兩類，一類是光學(xué)方法，另一類是光學(xué)以外的其它方法。光學(xué)方法又可以分為主動式和被動式兩類。前者是指對被測物體投射特定的光，使之被物體調(diào)制，再經(jīng)過解調(diào)得到被測物體的三維信息；后者則不需要額外的光源，在自然光照明下通過一定的技術(shù)來得到物體的三維信息。主動式的三維重建方法有飛行時間法、相位法、結(jié)構(gòu)光法和數(shù)字全息法等。被動式的三維重建方法有雙目立體視覺系統(tǒng)和多目立體視覺系統(tǒng)等。坐標(biāo)測量機(jī)接觸式法的典型代表是坐標(biāo)測量機(jī)，它以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了電子、計算機(jī)、光學(xué)和數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)。測量過程中，首先將各種幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為這些幾何元素上的點集坐標(biāo)位置的測量，然后再由軟件按一定的評定準(zhǔn)則算出這些幾何元素的尺寸、形狀和相對位置等，它的坐標(biāo)測量精度可以達(dá)到微米級。坐標(biāo)測量機(jī)的數(shù)據(jù)采集主要有觸發(fā)式、連續(xù)式和飛測式。前兩種方式采用傳統(tǒng)的接觸式測頭，測量時需要測頭與物體表面的接觸，這就大大限制了測量效率：基于光學(xué)非接觸測頭的飛測方式可以避免測量過程中測頭頻繁復(fù)雜的機(jī)械運動，從而可以獲得較高的測量效率。坐標(biāo)測量機(jī)的優(yōu)點是測量精度高，可對復(fù)雜工件形狀進(jìn)行測量；缺點是測量速度慢，測量體積小，不能測量軟質(zhì)物體，對客觀環(huán)境要求較高，而且影響系統(tǒng)的因素較多等。飛行時間法的原理是基于測量激光或其他光源脈沖光束的飛行時間進(jìn)行點位測量。在測量過程中，物體脈沖經(jīng)反射回到接收傳感器，參考脈沖穿過光纖也被傳感器接收，這樣會產(chǎn)生時間差，就可以把兩脈沖時間差轉(zhuǎn)換成距離：飛行時間法典型的分辨率在Imm左右，采用由二極管激光器發(fā)出的亞微秒脈沖和高分辨率設(shè)備，可以獲得亞毫米級的分辨率。相位法是采用光柵圖樣投影到被測物體表面，物體表面的深度信息將對條紋振幅和位相進(jìn)行調(diào)制，采用一定的算法可以將攜帶物體深度信息的相位變化解調(diào)出來，從而得到物體的三維信息。結(jié)構(gòu)光法結(jié)構(gòu)光法的基本思想是利用結(jié)構(gòu)光投影的幾何信息來求得物體的三維信息，通過向物體投射各種結(jié)構(gòu)光，如點、單線、多線、單圓、網(wǎng)格、顏色編碼條紋等，在物體上形成圖案并由攝像機(jī)攝取，而后由圖像根據(jù)三角法和傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，得到物體表面的三維坐標(biāo)值。結(jié)構(gòu)光三維重建方法是基于三角法原理：目標(biāo)物(被測物體)、投影點、觀測點在空間成三角關(guān)系。當(dāng)基準(zhǔn)光柵條紋投射到目標(biāo)物表面時，由于物體表面凹凸不平，條紋發(fā)生了畸變，這種畸變是由于投影的光柵條紋受物體表面形狀調(diào)制所致，因此它包含了物體表面形狀的三維信息?；跅l紋投影輪廓術(shù)的三維重建方法，是利用設(shè)計的正弦條紋等圖樣作為結(jié)構(gòu)化的投影信息照射被測物體，條紋圖樣被物體面型起伏調(diào)制，形成變形條紋，被標(biāo)定好的相機(jī)采集。通過對變形條紋相位信息的展開恢復(fù)，計算得到變形條紋的絕對相位，進(jìn)而根據(jù)相位與距離的標(biāo)定關(guān)系獲取被測物體的輪廓信息，形成三維點云。在基于條紋投影輪廓術(shù)的結(jié)構(gòu)光三維重建技術(shù)中，變形條紋相位級次的確定是關(guān)系到三維模型重建效果的關(guān)鍵技術(shù)。變形條紋相位級次的確定是正確計算變形條紋絕對相位的前提，變形條紋相位級次的誤判主要受到投影條紋周期較小、投影條紋灰度反射的非線性以及孤立物體投影條紋斷裂等因素的影響。為了解決目前面臨的問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員提出了量化相位編碼的變形條紋級次確定方法。在該方法中，除了保留多步相移中投影的正弦等結(jié)構(gòu)光條紋，還附加了量化相位編碼條紋。量化相位編碼條紋的碼元不包括所有灰度級，而是僅對應(yīng)幾個精心設(shè)置的灰度級；量化相位編碼條紋的碼字符合特定編碼規(guī)范，局部鄰域的碼字在整幅條紋編碼中具有唯一性。因此通過對變形條紋量化相位編碼碼字的確定，進(jìn)而可以唯一確定對應(yīng)正弦條紋的相位級次。