專利名稱：投射多頻光柵的物體表面三維輪廓的視覺(jué)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：

背景技術(shù)：
采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量物體輪廓技術(shù)是目前三維測(cè)量的研究熱點(diǎn)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高速度、高精度和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。可廣泛地應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、逆向工程設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)和三維動(dòng)畫(huà)制作等領(lǐng)域。
用二維光學(xué)圖像恢復(fù)物體的三維幾何信息，主要有兩方面的技術(shù)難點(diǎn)一是光學(xué)圖像的灰度雖然反映了三維物體的幾何信息，但又與物體的材料、紋理、光源等其它許多因素有關(guān)，因此，由二維圖像恢復(fù)物體三維幾何形狀是一個(gè)具有多解性的反問(wèn)題；二是用多幅二維圖像恢復(fù)三維信息，必須解決點(diǎn)的“對(duì)應(yīng)”問(wèn)題，即確定多幅圖像間特征點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是一個(gè)多解問(wèn)題。
通過(guò)將具有正弦分布的光柵投射到被測(cè)物體的表面，由攝像機(jī)采集由于物體表面的起伏使光柵條紋發(fā)生畸變的圖像，通過(guò)相位移動(dòng)技術(shù)，獲取與物體高度相關(guān)的相位信息。這項(xiàng)技術(shù)為解決用二維光學(xué)圖像恢復(fù)物體的三維幾何信息的多解性問(wèn)題提供了條件。然而，投射光柵條紋提取的相位在-π與π之間折疊，存在著2π折疊問(wèn)題，需要進(jìn)行相位展開(kāi)才能得到真實(shí)相位。對(duì)于理想的簡(jiǎn)單相位圖，相位展開(kāi)十分簡(jiǎn)單，在展開(kāi)方向上，比較兩個(gè)相鄰點(diǎn)的相位，如果兩者的相位差大于-π，則后一點(diǎn)加上2π，如果兩者的相位差大于π，則后一點(diǎn)減去2π。但是，如果物體表面的變化也使得兩個(gè)相鄰點(diǎn)的相位變化大于π，則相位展開(kāi)無(wú)法進(jìn)行。因此相位展開(kāi)成為制約三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。
專利(CN 1203292C)通過(guò)Gray編碼，將測(cè)量區(qū)域分割成2N個(gè)條形區(qū)域，再利用多步相移測(cè)量技術(shù)獲得每個(gè)區(qū)域的相位，兩者的組合避開(kāi)了相位展開(kāi)問(wèn)題，而且，只要根據(jù)相位和外極線的約束就能夠解決左右圖像上像點(diǎn)的“對(duì)應(yīng)”問(wèn)題。但是，這種方法會(huì)由于馬赫范得效應(yīng)(Mach Band Effect)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的編碼，并且這種方法對(duì)于測(cè)量環(huán)境要求高，噪聲敏感。
一種稱作雙頻輪廓術(shù)的方法，首先在全場(chǎng)投射只用一個(gè)條紋的光柵，則測(cè)量范圍內(nèi)所有像點(diǎn)的展開(kāi)相位與折疊相位相同，分布在-π與π之間，無(wú)須展開(kāi)；然后投射有多個(gè)條紋的光柵，由多條紋光柵獲得的相位存在2π折疊問(wèn)題，以單條紋光柵的相位為參考，利用相位與高度的關(guān)系確定多條紋光柵相位展開(kāi)時(shí)的增減2π的數(shù)目。由于單條紋相位中含有較大的噪聲，在以它為參考直接展開(kāi)多條紋光柵相位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差。還有一些采用多個(gè)光柵的投影方案，如光柵條紋指數(shù)遞增方案(f＝1，2，4，8，16，32，64，128)，需要投射的光柵數(shù)目較多。


發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)向物體表面投射三個(gè)(或多個(gè))頻率的光柵，由安裝在投影機(jī)兩側(cè)的攝像機(jī)拍攝被物體表面調(diào)制的光柵條紋，采用一種新的相位展開(kāi)技術(shù)，計(jì)算左、右攝像機(jī)拍攝圖像上的每一點(diǎn)的相位，以相位值和立體視覺(jué)中的外極線作為約束，實(shí)現(xiàn)左、右兩幅圖像上的點(diǎn)的唯一匹配，進(jìn)而求出物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
它包括如下步驟 (1)計(jì)算機(jī)生成虛擬光柵，其中包括三組相移光柵，利用投影儀將生成的光柵投射到物體上； (2)利用兩臺(tái)攝像機(jī)采集物體上的條紋圖像，并保存在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中； (3)對(duì)每一個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像采用新的相位展開(kāi)技術(shù)進(jìn)行處理，得到圖像上每一點(diǎn)的相位值；兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像上，對(duì)應(yīng)在物體表面上同一點(diǎn)的相位值是相等的，因此，可用相位值作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配的依據(jù)。
(4)對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，得到攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)即相對(duì)于世界坐標(biāo)的外部參數(shù) (5)根據(jù)相位和外極線對(duì)每一點(diǎn)進(jìn)行三維重構(gòu)，計(jì)算物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo) 1、投射三個(gè)(或多個(gè))頻率的光柵，三個(gè)光柵的頻率之間具有如下特征 (1)三個(gè)光柵都具有較高的頻率，使測(cè)量的相位具有較高的精度，按照頻率從高到低三個(gè)光柵的頻率分別為f1、f2、f3； (2)光柵頻率的關(guān)系f1-2f2+f3≤1 (3)投射光柵，物體表面的光強(qiáng)可表示為 其中R(x，y)表示物體表面的反射率，A(x，y)表示背景光強(qiáng)，B(x，y)表示條紋光強(qiáng)幅值，φx，y)表示條紋相位，i＝1，2，3，對(duì)應(yīng)頻率f1、f2、f3，j＝1，2，3，4對(duì)應(yīng)相移角度φj為分別為0、

π、
(4)頻率f1、f2、f3的對(duì)應(yīng)相位φ1(x，y)、φ2(x，y)、φ3(x，y)分別計(jì)算如下 ΔI42(x，y)＝I4(x，y)-I2(x，y)，ΔI13(x，y)＝I1(x，y)-I3(x，y) 2、采用合成頻率技術(shù)展開(kāi)相位； (1)在計(jì)算機(jī)中，由光柵1和2合成頻率為f12(f12＝f1-f2)的光柵，其相位為φ12(x，y)；由光柵2利3合成頻率為f23(f23＝f2-f3)的光柵，其相位為φ23(x，y)，由光柵1和3合成頻率為f13(f13＝f1-f3)的光柵，其相位為φ13(x，y)，其相位的計(jì)算方法如下 i＝1，2，3，j＝1，2，3，i＜j (2)由光柵1、2和3合成頻率為f123(f123＝f1-2f2+f3)的光柵，其相位φ123(x，y)計(jì)算方法如下 (3)根據(jù)f1-2f2+f3≤1的頻率關(guān)系，頻率為f123的光柵在攝像機(jī)的可視范圍內(nèi)只有一個(gè)條紋，它的相位不存在2π折疊問(wèn)題，即展開(kāi)相位與折疊相位相等123(x，y)＝φ123(x，y)，因此，可將它作為其它相位展開(kāi)的參考相位； (4)計(jì)算頻率f12、f23、f13的展開(kāi)相位，以展開(kāi)φ13(x，y)為例
(5)再以相位13(x，y)為參考，計(jì)算光柵f1、f2、f3的展開(kāi)相位，以φ1(x，y)為例
(6)為提高相位的可靠性，對(duì)展開(kāi)相位進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如用φ1(x，y)、φ2(x，y)、φ3(x，少)投票方法提高相位的可靠性，或采用調(diào)制度技術(shù)提高相位的可靠性。
3、對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，得到攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)及相對(duì)于世界坐標(biāo)的外部參數(shù)； (1)將兩臺(tái)攝像機(jī)安裝在投影儀兩側(cè)，使之對(duì)稱于投影儀的光軸； (2)由投影儀向一定距離的平面垂直投射十字光標(biāo)，調(diào)整攝像機(jī)的角度，至兩個(gè)攝像機(jī)的中心線與十字光標(biāo)的豎線重合； (3)采用張正友的平面定標(biāo)方法或其它定標(biāo)方法為攝像機(jī)定標(biāo)，確定攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)；攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)有f(i)、(u0(i)，v0(i)、dx(i)、dy(i)，攝像機(jī)的外參數(shù)有R(i)、T(i)，i＝1，2 f(i)鏡頭焦距長(zhǎng)度，i為攝像機(jī)編號(hào)； (u0(i)，v0(i))攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)； dx(i)、dy(i)在x和y方向上相鄰像素之間距離； R(i)旋轉(zhuǎn)矩陣， T(i)平移向量，T(j)＝[Tx Ty Tz] (4)空間任何一點(diǎn)P(Xw’，Yw’Zw)，在圖像上的投影位置p(u，v)，由攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)構(gòu)成的投影矩陣確定i＝1，2，i為攝像機(jī)編號(hào)，投影矩陣M為3*4的矩陣，其中 4、以相位值和立體視覺(jué)中的外極線作為約束，實(shí)現(xiàn)左、右攝像機(jī)拍攝的圖像上的點(diǎn)的匹配； (1)基礎(chǔ)矩陣F(Fundamental Matrix) 其中，i＝1，2，i為攝像機(jī)編號(hào)，[m]x為m的反對(duì)稱矩陣 (2)空間任何一點(diǎn)的齊次坐標(biāo)P(Xw，Yw，Zw，1)，在兩臺(tái)攝像機(jī)圖像上的投影的齊次坐標(biāo)分別為p1(u1，v1，1)、p2(u2，v2，1)；則有它給出了p1和p2必須滿足的關(guān)系，在給定p1的情況下，它是一個(gè)關(guān)于p2的線性方程，即攝像機(jī)2拍攝的圖像上的外極線方程；反之，在給定p2的情況下，它是一個(gè)關(guān)于p1的線性方程，即攝像機(jī)1拍攝的圖像上的外極線方程， (3)由攝像機(jī)1拍攝的圖像上一點(diǎn)p1(u1，v1)，計(jì)算其在2攝像機(jī)拍攝圖像上的外極線方程參數(shù)，并在外極線上尋找與p1點(diǎn)相位值相等的點(diǎn)p2(u2，v2)，p1與p2就是一對(duì)匹配點(diǎn)； 5、利用匹配的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算物體表面的三維坐標(biāo)； (1)已知p1(u1，v1)，p2(u2，v2)為空間同一點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以及投影矩陣M(i)，于是可以得到關(guān)于空間點(diǎn)P(Xw，Yw，Zw)的坐標(biāo)的4個(gè)線性方程 選擇其中3個(gè)方程求解或用最小二乘方法對(duì)4個(gè)方程求最優(yōu)解，就可以計(jì)算出P(Xw，Yw，Zw)的坐標(biāo)值； 6、采用計(jì)算機(jī)、投影儀和兩臺(tái)攝像機(jī)組成測(cè)量系統(tǒng)。



圖1是本發(fā)明硬件組成的示意圖。系統(tǒng)由一個(gè)投射光柵的投影儀，以及位于投影儀兩側(cè)的兩臺(tái)CCD攝像機(jī)，以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。
圖2是軟件處理流程的總體框圖。
圖3是投射光柵與采集圖像的流程圖。
圖4是由圖像計(jì)算相位的流程圖。
圖5是由攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)與相位數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流程圖。
圖6是由對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算三維坐標(biāo)的流程圖。
圖7是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)一個(gè)鼠標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)獲得的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的圖形。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明提出的一種光學(xué)三維測(cè)量方法和系統(tǒng)的實(shí)施例說(shuō)明如下 本實(shí)施例的測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由攝像機(jī)1、2，投影儀3，計(jì)算機(jī)4等組成，計(jì)算機(jī)為P4 2.8GHz，兩架WATEC的WAT 902H黑白CCD工業(yè)攝像機(jī)，兩塊嘉恒公司的M10A的OK系列采集卡，兩個(gè)國(guó)產(chǎn)的GDS 35鏡頭，HP vp6315投影儀。
1)利用計(jì)算機(jī)生成虛擬三組相移光柵的條紋數(shù)分別為120，116，113，利用投影儀將光柵投射到物體上； 2)兩臺(tái)CCD攝像機(jī)采集圖像，并保存在計(jì)算機(jī)中； 3)對(duì)每一個(gè)攝像機(jī)拍攝的12幅圖像分別進(jìn)行處理，得到每個(gè)點(diǎn)的相位值； 4)為使計(jì)算結(jié)果更可靠，采用調(diào)制度作為展開(kāi)相位的可靠性依據(jù)，對(duì)調(diào)制度小于設(shè)定閾值的相位進(jìn)行掩模處理。
5)采用張正友定標(biāo)方法；對(duì)攝像機(jī)定標(biāo)，獲得攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)，以及鏡頭的畸變系數(shù)； 6)計(jì)算基礎(chǔ)矩陣； 7)根據(jù)外極線方程和相位值確定匹配點(diǎn)對(duì)； 8)計(jì)算三維坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.投射多頻光柵的物體表面三維輪廓的視覺(jué)測(cè)量方法，其特征在于通過(guò)向物體表面投射三個(gè)(或多個(gè))頻率的光柵，由安裝在投影機(jī)兩側(cè)的攝像機(jī)拍攝被物體表面調(diào)制的條紋，采用合成頻率的相位展開(kāi)技術(shù)，計(jì)算左、右攝像機(jī)拍攝圖像上的每一點(diǎn)的相位，以相位值和外極線作為約束，實(shí)現(xiàn)左、右兩幅圖像上的點(diǎn)的匹配，進(jìn)而求出物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。它包括如下步驟。
(1)計(jì)算機(jī)生成虛擬光柵，其中包括三組相移光柵，利用投影儀將生成的光柵投射到物體上；
(2)利用兩臺(tái)攝像機(jī)采集物體上的條紋圖像，并保存在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；
(3)對(duì)每一個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像采用合成頻率的相位展開(kāi)技術(shù)進(jìn)行處理，得到圖像上每一點(diǎn)的相位值；
在兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像上，對(duì)應(yīng)在物體表面上同一點(diǎn)的相位值是相等的，因此，可用相位值作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配的依據(jù)。
(4)對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，得到攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和相對(duì)于世界坐標(biāo)的外部參數(shù)以及鏡頭的畸變系數(shù)
(5)根據(jù)相位和外極線尋找對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)，構(gòu)成對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)；
(6)由對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)計(jì)算物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于投射三個(gè)(或多個(gè))頻率的光柵，三個(gè)光柵的頻率之間具有如下特征。
(1)三個(gè)光柵都具有較高的頻率，使測(cè)量的相位具有較高的精度，按照頻率從高到低三個(gè)光柵的頻率分別為f1、f2、f3，相位分別為φ1(x，y)、φ2(x，y)、φ3(x，y)。
(2)光柵頻率的關(guān)系f1-2f2+f3≤1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于采用一種新的相位展開(kāi)技術(shù)。
(1)在計(jì)算機(jī)中，由光柵1和2合成頻率f12(f12＝f1-f2)，相位φ12(x，y)
(2)在計(jì)算機(jī)中，由光柵2和3合成頻率f23(f23＝f2-f3)，相位φ23(x，y)
(3)在計(jì)算機(jī)中，由光柵3和1合成頻率為、f13(f13＝f1-f3)，相位φ13(x，y)
(4)在計(jì)算機(jī)中，由光柵1、2和3合成等效頻率f123(f123＝f1-2f2+f3)，相位φ123(x，y)
(5)合成頻率為f123的光柵在攝象機(jī)的可視范圍內(nèi)只有一個(gè)條紋，它的相位不存在2π折疊問(wèn)題，故123(x，y)＝φ123(x，y)，它作為其它相位展開(kāi)的參考；
(6)展開(kāi)頻率f12、f23、f13的相位，以展開(kāi)f13的相位為例
(7)再以31(x，y)為參考，展開(kāi)光柵f1的相位圖
(8)由φ1(x，y)、φ2(x，y)、φ3(x，y)投票或用調(diào)制度作為展開(kāi)相位的可靠性依據(jù)，對(duì)調(diào)制度小于設(shè)定閾值的相位進(jìn)行掩模處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，得到攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)即相對(duì)于世界坐標(biāo)的外部參數(shù)。
(1)將兩臺(tái)攝像機(jī)安裝在投影儀兩側(cè)，使之對(duì)稱于投影儀的光軸；
(2)由投影儀向一定距離的平面垂直投射十字光標(biāo)，調(diào)整攝像機(jī)的角度，至兩個(gè)攝像機(jī)的中心線與十字光標(biāo)的豎線重合；
(3)采用張正友的平面定標(biāo)方法或其它定標(biāo)方法確定攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于以相位值和外極線作為約束，實(shí)現(xiàn)左、右兩幅圖像上的點(diǎn)的對(duì)應(yīng)匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于利用對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，計(jì)算物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于采用計(jì)算機(jī)、投影儀和兩臺(tái)攝像機(jī)組成測(cè)量系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于包括投射光柵的裝置，投影儀作為一種光柵投射裝置，也可以采用其它光柵投射方案，如由電移臺(tái)、光柵片和光源組成其它的光柵投射裝置。
全文摘要
本發(fā)明屬于物體表面三維輪廓測(cè)量領(lǐng)域。其主要技術(shù)特征包括1)通過(guò)向物體表面投射不同頻率的光柵，獲得多個(gè)相位圖；2)采用頻率合成方法，展開(kāi)相位圖，從而獲得高精度的展開(kāi)相位；3)利用展開(kāi)的相位與外極線匹配對(duì)應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算物體表面的三維輪廓；4)為使計(jì)算結(jié)果更可靠，采用調(diào)制度作為展開(kāi)相位的可靠性依據(jù)，對(duì)調(diào)制度小于設(shè)定閾值的相位進(jìn)行掩模處理。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高精度、高速度、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B21/20GK101105393SQ20061001028
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者波 周 申請(qǐng)人:波 周