[發(fā)明專利]一種基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310871831.5
• 申請(qǐng)日: 2023-07-17
• 公開（公告）號(hào): CN116592794A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭東亮;柳暢;于浩天;韓靜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25
• 代理公司: 南京蘇創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32273
• 代理人: 張學(xué)彪

本發(fā)明公開了一種基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法，包括如下步驟：一、通過投影儀將綠圖和藍(lán)圖先后投射到被測(cè)物體上，得到三維重建系統(tǒng)的先驗(yàn)參數(shù)；二、通過投影儀將藍(lán)綠混色條紋圖離焦投射到被測(cè)物體上，捕獲得到形變相移正弦條紋圖案；三、利用先驗(yàn)參數(shù)對(duì)捕獲的形變相移正弦條紋圖案進(jìn)行校正，得到校正后的雙頻正弦條紋圖像；四、通過相移和雙頻法相位展開獲得絕對(duì)相位，根據(jù)絕對(duì)相位和系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行三維重建。本發(fā)明使用偏振相機(jī)，通過偏振編碼方案使得偏振相機(jī)一幀可以同時(shí)捕獲雙頻條紋圖案，同時(shí)根據(jù)馬呂斯定律構(gòu)建投影光在系統(tǒng)中的傳播模型，對(duì)捕獲的雙頻條紋圖案進(jìn)行校正，有效提高了絕對(duì)相位和三維重建的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

條紋投影輪廓術(shù)（FPP）是目前最流行的一種非接觸式三維測(cè)量方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。FPP通常由一個(gè)投影、一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)處理單元組成。在測(cè)量三維信息時(shí)，由投影儀投影并經(jīng)目標(biāo)表面調(diào)制的形變條紋圖案圖像被攝像機(jī)捕獲。然后根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)和攝像機(jī)與投影儀之間的三角測(cè)量方法，利用這些圖像得到的相位分布重建目標(biāo)的三維信息。在整個(gè)過程中，根據(jù)N步相移算法計(jì)算不包裹相位需要不少于3張移相正弦條紋圖像，其范圍為至，有著周期為2的不連續(xù)性。在相位展開方面，空間相位展開（Spatial?Phase?Unwrap,?簡(jiǎn)稱SPU）的特點(diǎn)是效率高，不需要額外的投圖，但魯棒性較差，對(duì)場(chǎng)景的要求高，適用性弱。與SPU相比，時(shí)序相位展開（Temporal?PhaseUnwrapping，簡(jiǎn)稱TPU）利用額外的投圖來(lái)展開相位，如多頻法、格雷碼等，這導(dǎo)致投影圖片的時(shí)間較長(zhǎng)，但更實(shí)用。

為了提高TPU的效率，一種可取的方法是減少投影圖案的數(shù)量。近些年來(lái)，世界各地的研究人員開發(fā)了幾種基于隨機(jī)圖案的立體匹配算法，這些算法只使用一個(gè)隨機(jī)圖案來(lái)展開相位，而不是使用許多額外的投圖。此外，在過去的十年中，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了與幾何約束相關(guān)TPU方法，而不投射任何額外的圖案。有的是利用額外的硬件組件來(lái)幾何約束條紋的級(jí)次，有的是通過傳統(tǒng)的數(shù)字條紋投影（DFP）系統(tǒng)使用最小相位法。此外，還有一些基于彩色相機(jī)的TPU方法。這些方法通常利用一臺(tái)彩色相機(jī)在一幀內(nèi)的三個(gè)顏色通道（R,G,B）來(lái)計(jì)算絕對(duì)相位分布，這使得測(cè)量速度比大多數(shù)TPU方法要快，但存在顏色串?dāng)_和顏色濾波器等不可避免硬件誤差。

偏振作為光的基本特性之一，已被廣泛應(yīng)用于水下圖像恢復(fù)、三維法向梯度場(chǎng)重建、透明物體識(shí)別、結(jié)構(gòu)光編碼等光學(xué)領(lǐng)域。除了光強(qiáng)之外，偏振還可以作為光調(diào)制的額外信息通道。如果能很好地利用一臺(tái)偏振相機(jī)拍攝的四幅不同偏振角度的畫面，將大大提高投影的整體速度。研究人員曾利用空間光調(diào)制器（SLM）和偏振相機(jī)調(diào)制的彩色結(jié)構(gòu)偏振模式，實(shí)現(xiàn)了高精度的快速三維輪廓測(cè)量。但由于設(shè)備和光路復(fù)雜，該方法成本昂貴，且軸向色差較大。根據(jù)菲涅耳折反射定律，線偏振光經(jīng)過物體表面反射后會(huì)受物體表面調(diào)制，進(jìn)而引起偏振態(tài)的改變，所以偏振在結(jié)構(gòu)光編碼這一領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用一直受限于被測(cè)場(chǎng)景物體的保偏程度，這個(gè)與物體材質(zhì)與物體表面均勻程度有關(guān)。

總之，TPU具備高精度，高魯棒性的同時(shí)需要投影額外的圖案，這將大大影響整體測(cè)量效率。而偏振相機(jī)一幀可以在四個(gè)通道里分別成像的性質(zhì)將在提升TPU方案效率上具備優(yōu)秀的使用潛力，但將偏振相機(jī)引入FPP仍有許多局限性，比如目標(biāo)場(chǎng)景物體的保偏程度。

因此，需要一種新的基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

一種基于偏振結(jié)構(gòu)光的快速三維重建方法，采用三維重建系統(tǒng)，所述三維重建系統(tǒng)包括偏振相機(jī)和投影儀，所述偏振相機(jī)和投影儀均正對(duì)被測(cè)物體，包括如下步驟：

一、通過所述投影儀將綠圖和藍(lán)圖先后投射到被測(cè)物體上，并通過所述偏振相機(jī)在偏振模式下四個(gè)通道捕獲的圖案計(jì)算得到三維重建系統(tǒng)的先驗(yàn)參數(shù)；