專利名稱：基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法，涉及計算機視覺測量領(lǐng)域，屬于三 維測量方法和儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及光學(xué)三維測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光編碼技術(shù)。
背景技術(shù)：
基于光學(xué)的非接觸式三維物體形貌測量技術(shù)得到了長足的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛 應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計與制造、質(zhì)量檢測與控制、機器人視覺等領(lǐng)域。另外，隨著數(shù)字投影技術(shù)的 進步，基于數(shù)字投影設(shè)備的結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)得到快速的擴展，在整個光學(xué)三維測量技 術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位。該方法首先利用計算機生成光柵編碼條紋圖像；再使 用數(shù)字投影設(shè)備投射光柵編碼條紋圖像；最后采集光柵條紋圖像并進行編碼求解和三維測 量?；谡业南嘁扑惴ň哂休^高的測量精度，使得該種方法在光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)中 得到廣泛應(yīng)用，一般正弦條紋光強函數(shù)用數(shù)學(xué)表達式可表示為
IiO，y) = I O,y) +1"O，cos[^(x,y) + St](ι)其中Ii (X，y)為相機采集的第i幅光柵條紋圖像中像素坐標(biāo)為(X，y)的光強值， I' (χ，y)為背景光強，I" (χ, y)為條紋幅值，力為待測相位值，S i為第i次相移量。
經(jīng)過多步相移后待測相位餌χ,7)計算值為
n
J^aiI t(x,y)
φ(χ, y) = arctan ---(2)
Y^biIi(Xiy)
i=\其中 和h取決于相移的次數(shù)，求解得力在主值[_ π，+ π ]內(nèi)，呈現(xiàn)出有2 π 鋸齒反復(fù)跳動的包裹相位，經(jīng)過相位展開算法求解得整張圖像內(nèi)相位的唯一編碼。設(shè)相機采集到的理想的正弦條紋灰度表示為廠，設(shè)經(jīng)數(shù)字化投影設(shè)備投射出，相 機實際采集到的條紋灰度表示為廠，由于一般的商用數(shù)字投影設(shè)備的投影引擎具有伽瑪非 線性特性，使得采集到的條紋灰度廠產(chǎn)生非正弦性誤差，不能得到完全理想的正弦灰度分 布，使用這種非理想的光柵灰度條紋進行計算時，會產(chǎn)生相位編碼誤差，進而導(dǎo)致三維測量 精度大大降低，其中，相位編碼誤差以非正弦性波動的形式表現(xiàn)出來。針對這種誤差相繼出現(xiàn)了多種解決方法，主要可以分為兩類一類是主動式的方法(蓋紹彥，達飛鵬.基于數(shù)字投影儀的光柵相位自校正方法， 自動化學(xué)報，34 (11) 1363-1368 (2008).)，在計算出的相位中選取局部的誤差區(qū)域，通過逆 向補償?shù)姆绞接嬎愠鲂枰渡涞臈l紋灰度，通過改變投射的條紋灰度，從而使采集的到的 條紋灰度呈理想的正弦分布，但這類方法理論上可行，實際應(yīng)用中由于每個像素具有不同 的伽馬非線性反射，使得該方法很難得到
第二類方法是被動補償?shù)姆椒?H.Guo, H. He, and Μ. Chen. Gamma correction fordigital fringe projection profilometry,Appl. Opt. 43,2906-14 (2004) ·),這類方法 認為相位編碼誤差具有相同的周期性，首先提取一個周期或幾個周期內(nèi)的相位誤差，建立 對應(yīng)相位的誤差補償相位對照表，實現(xiàn)相位誤差標(biāo)定，然后對求解的相位編碼根據(jù)誤差對 照表進行逆向補償，實現(xiàn)相位的正確編碼，這類方法的前提條件是相位編碼誤差具有周期 相同性，通過對一個或多個周期內(nèi)的相位誤差進行統(tǒng)計，建立誤差對照表進行對應(yīng)補償，然 而，實現(xiàn)應(yīng)用中這種完全相同的周期性現(xiàn)象基本上不存在，因此，通過這類方法并不能完全 消除誤差，補償后殘余的相位誤差對于高精度的三維測量仍然是不能忽略的。因此，免疫于 相位誤差編碼方法的研究是高精度三維測量首要解決的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提出了一種免疫于相移誤差的，高精度的結(jié)構(gòu)光編 碼方法。一種基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法，由以下步驟組成(1)、計算機生成 光柵編碼條紋圖像；(2)、使用數(shù)字投影設(shè)備投射光柵編碼條紋圖像；(3)、采集光柵條紋圖 像并利用相移算法進行編碼求解和三維測量；其特征在于(4)、所述的光柵編碼條紋圖像 的每個光柵周期內(nèi)像素個數(shù)等于所采用的相移算法步數(shù)；(5)、所述的光柵編碼條紋圖像的 每個光柵周期內(nèi)灰度值需滿足正弦曲線分布，并且像素灰度值為正弦函數(shù)的極值點。本發(fā)明的編碼方法中，(1)每個光柵編碼周期內(nèi)像素個數(shù)與相移步數(shù)相等，屏蔽了 相位誤差產(chǎn)生的像素，增強了對相位誤差的抗干擾能力。以四步相移算法為例，相位誤差在 一個光柵周期內(nèi)呈現(xiàn)四個周期性的正弦波動，每個正弦波動占距光柵周期的四分之一，這 些相位誤差是由一個光柵周期的四分之一像素計算得到，為了將這些誤差減少到最小，可 以將一個光柵周期內(nèi)四分之一的像素個數(shù)減少到1，則一個光柵周期內(nèi)的四個正弦波動間 距減少到零，波動誤差呈一個點誤差；(2)光柵周期內(nèi)的像素點灰度為正弦函數(shù)的些極值 點，使用這些點作為光柵內(nèi)像素的灰度值進行相位計算，滿足了反三角函數(shù)的收斂特性，大 大減少了非線性灰度反映造成的相位求解誤差。根據(jù)相位計算的公式(2)，相位的求解值 是反正切函數(shù)的值域，根據(jù)三角函數(shù)的性質(zhì)，反正切函數(shù)值在士 η/2處急劇收斂，定義域 的劇烈變化不會大幅度的影響值域的值，因此，相位計算時，采用正弦函數(shù)的極值點計算， 使得值域的值相對穩(wěn)定不受定義域劇烈變化的大幅度影響，這也正是相位誤差正弦性波動 的過零點產(chǎn)生的原因；(3)每個光柵編碼周期內(nèi)的灰度值數(shù)量少，而且具有較強的對比性，減少 了相機采集的灰度誤差.本發(fā)明的光柵編碼條紋灰度值個數(shù)較少，以四步相移為例，僅有255， 127. 5和0三個灰度值，一個周期內(nèi)灰度值對比明顯，提高了相機采集圖像灰度的準(zhǔn)確性。本發(fā)明方法根據(jù)相移算法中反三角函數(shù)的收斂特性，選取三角函數(shù)中的極值點值 作為編碼的灰度值，并將易產(chǎn)生相位誤差的像素點進行壓縮，從原理上將易產(chǎn)生相位誤差 的像素點屏蔽，提高了相位誤差的抗干擾性，保證了相位計算的正確性和穩(wěn)定性。相比于傳 統(tǒng)的相移編碼方法具有更高的穩(wěn)定性、可靠性，提高了編碼精度。


圖1為以四步相移算法為例本發(fā)明的光柵編碼條紋，灰度圖表示。
圖2為本發(fā)明的光柵編碼條紋灰度值曲線圖。圖3為相機采集到的本發(fā)明的光柵編碼灰度圖。圖4為使用相移編碼計算的相位灰度圖。圖5為傳統(tǒng)的光柵編碼條紋灰度曲線圖。圖6為本發(fā)明與傳統(tǒng)光柵編碼誤差對比圖
具體實施方案下面對本發(fā)明方法結(jié)合附圖做進一步詳細說明。本發(fā)明首次使用免疫于相移誤差 的光柵編碼，對多幅編碼圖像使用傳統(tǒng)的相移算法進行求解，既保證了相移算法的高精度， 又實現(xiàn)相位誤差的消除。(1)、計算機生成光柵編碼條紋圖像通過程序編制生成一系列編碼條紋圖像，編 碼圖像幅數(shù)與使用的相移算法(三步相移算法、四步相移算法、五步相移 算法等)的步數(shù)η相等，η幅圖像內(nèi)相同像素坐標(biāo)點的相位值相差——，圖像里每個
光柵周期內(nèi)的像素個數(shù)與相移步數(shù)η也要相等，并且一個周期內(nèi)的條紋灰度值滿足正弦曲 線分布，以四步相移算法為例，用灰度圖表示的光柵編碼條紋可表示為Ii(X，y) = I' (χ, y)+I" (x，y)cOS[(x*2Ji)/4+i*Ji/2]，i = 0，1，...，3，其中 Ii (χ, y)為相機采集的第 i 幅 光柵條紋圖像中像素坐標(biāo)為(χ，y)的光強灰度值，I' (χ，y)為背景光強，I" (χ, y)為條 紋幅值，φ{(diào)χ,γ) = (χ*2π)/4為待測相位值，δ i = i* π /2為第i次相移量，繪制出沿χ方 向的周期性的光柵條紋，取四幅圖像中的一幅圖像，圖像中部分像素的灰度圖像表示如圖1 所示，圖像中共有三種灰度值，最黑和最白的灰度圖分別是0和255，灰色的圖像部分灰度 是127. 5，沿χ方向?qū)⒒叶戎颠M行曲線表示如圖2所示，編碼值曲線呈三角形，一個周期內(nèi) 最高點，中間點和最低點在χ方向間隔是一個像素，各值分別是圖像的灰度值255，127. 5和 0。IiU, y)和Si為已知量，I' (x，y)，I〃(x，y)和樹x，>0三個為未知量，采集η編碼圖 像，使用多η步相移算法(η >= 3)即可實現(xiàn)相位iKx，力的求解。(2)、數(shù)字投影設(shè)備投射。將本發(fā)明設(shè)計的編碼條紋如圖1，通過數(shù)字式投影設(shè)備進 行投射出來，數(shù)字投影設(shè)備包括，LED投影機、DMD投影機、IXD投影機、LCOS投影機等。調(diào)整 數(shù)字投影設(shè)備的分辨率，使投射的圖像和分辨率匹配，調(diào)整焦距，使投射的圖像清晰，另外， 根據(jù)被測物體表面信息，盡量使投射出的編碼條紋具有明顯的對比性。(3)、圖像采集和相位解碼。根據(jù)投射的編碼條紋是灰度信息或彩色信息，使用對 應(yīng)的數(shù)字式攝像機進行圖像采集，首先根據(jù)投射的分辨率選擇對應(yīng)匹配的攝像機，然后調(diào) 整相機的焦距、光圈、曝光時間等參數(shù)，保證采集的編碼圖像清晰，對采集到的多幅編碼圖 像根據(jù)公式(2)進行相位編碼計算，以四步相移算法為例，對采集到的四幅圖像分別為Ij (x, y) = I' (x，y)+I〃(x，y) cos [ (χ*2 π )/4+j* π/2]，j = 0，1，· · ·，3，其中一幅圖像顯示如圖3所示，使用四步相移算法(3)解相位，將相位進行W255] 歸一化進行灰度顯示如圖4所示。
本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的相位編碼方法具有以下優(yōu)點(1)每個光柵編碼周期內(nèi)像素 個數(shù)與相移步數(shù)相等，屏蔽了相位誤差產(chǎn)生的像素，增強了對相位誤差的抗干擾能力；(2) 光柵周期內(nèi)的像素點灰度為正弦函數(shù)的些極值點，使用這些點作為光柵內(nèi)像素的灰度值進 行相位計算，滿足了反三角函數(shù)的收斂特性，大大減少了非線性灰度反映造成的相位求解 誤差；(3)每個光柵編碼周期內(nèi)的灰度值數(shù)量少，而且具有較強的對比性，減少了相機采集 的灰度誤差。為了驗證本發(fā)明方法的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的相移編碼方法進行了對比實驗，圖 5是傳統(tǒng)的光柵編碼的灰度曲線圖，按以上步驟分別計算相位編碼并和理想的相位進行比 較，統(tǒng)計其相位誤差對比圖如圖6所示，圖中紅色線為傳統(tǒng)編碼的相位誤差，藍色線為本發(fā) 明的方法計算的相位誤差，可以看出使用本發(fā)明的方法能得到很好的相位編碼，傳統(tǒng)的相 位編碼方法會有正弦性的誤差波動，進而會導(dǎo)致三維測量的誤差。對于相位編后的包裹相 位使用相位展開算法可以實現(xiàn)周期性截斷的移除，獲得三維測量所用的絕對相位編碼，這 樣就實現(xiàn)了物體表面三維輪廓測量的結(jié)構(gòu)光編碼。
權(quán)利要求
一種基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法，由以下步驟組成(1)、計算機生成光柵編碼條紋圖像；(2)、使用數(shù)字投影設(shè)備投射光柵編碼條紋圖像；(3)、采集光柵條紋圖像并利用相移算法進行編碼求解和三維測量；其特征在于(4)、所述的光柵編碼條紋圖像的每個光柵周期內(nèi)像素個數(shù)等于所采用的相移算法步數(shù)；(5)、所述的光柵編碼條紋圖像的每個光柵周期內(nèi)像素灰度需滿足正弦或余弦曲線分布，并且像素灰度值為相應(yīng)正弦或余弦函數(shù)的極值點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于光學(xué)三維測量的相移編碼方法，其特征在于所述 的光柵編碼條紋圖像為灰度圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法，其特征在于 所述的光柵編碼條紋圖像為彩色圖像。
全文摘要
一種基于相位編碼技術(shù)的光學(xué)三維測量方法，屬三維測量技術(shù)領(lǐng)域。由以下步驟組成(1)計算機生成光柵編碼條紋圖像；(2)用數(shù)字投影設(shè)備投射光柵編碼條紋圖像；(3)采集光柵條紋圖像并利用相移算法進行編碼求解和三維測量；其特征在于(4)所述光柵編碼條紋圖像的每個光柵周期內(nèi)像素個數(shù)等于所采用的相移算法步數(shù)；(5)所述的光柵編碼條紋圖像的每個光柵周期內(nèi)像素灰度需滿足正弦或余弦曲線分布，并且像素灰度值為相應(yīng)正弦或余弦函數(shù)的極值點。本方法相對傳統(tǒng)正弦相移編碼方法，對數(shù)字投影設(shè)備的伽瑪非線性影響具有更強的抗干擾性，編碼具有更高穩(wěn)定性、可靠性和正確性，在物體表面光學(xué)三維輪廓精確測量方面有著重要的作用。
文檔編號G01B11/25GK101881605SQ20101019022
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者崔海華, 廖文和, 戴寧, 程筱勝 申請人:南京航空航天大學(xué)