基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法，其特征在于，包括：步驟1，將編碼光柵投射到待測(cè)物體表面；步驟2，從兩個(gè)不同角度分別獲取待測(cè)物體表面的圖像；步驟3，根據(jù)光柵相移法和極線約束，對(duì)兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟4，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)待測(cè)物體的三維形狀。本發(fā)明的方法對(duì)相對(duì)平滑的物體進(jìn)行不接觸，可以主動(dòng)式、實(shí)時(shí)、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測(cè)量與重建。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]三維物體的重建工作越來(lái)越多地出現(xiàn)在人民的生產(chǎn)生活中，而三維測(cè)量是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確測(cè)量出物體的三維形狀，才能實(shí)現(xiàn)三維物體的重建。由于物體表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，只能采用非接觸測(cè)量法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種可主動(dòng)式、實(shí)時(shí)、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測(cè)量與重建的基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法，其特征在于，包括:步驟1，將編碼光柵投射到待測(cè)物體表面；步驟2，從兩個(gè)不同角度分別獲取待測(cè)物體表面的圖像；步驟3，根據(jù)光柵相移法和極線約束，對(duì)兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟4，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)待測(cè)物體的三維形狀。
[0005]進(jìn)一步地，編碼光柵為經(jīng)過(guò)編碼的條紋結(jié)構(gòu)光。
[0006]進(jìn)一步地,編碼光棚所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。
[0007]進(jìn)一步地，多次投射編碼圖案，且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。
[0008]進(jìn)一步地，步驟2中獲得的圖像為編碼光柵使用的編碼圖案被投射到待測(cè)物體表面時(shí)，被表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像，將變形光柵圖像由下式表示:
I (x，y)=R (χ，y) X { A (x, y) + B (χ, y) X cos [ Ψ (χ, y)]}
其中，
I (x，y)為變形光柵圖像的光譜強(qiáng)度；
R (χ，y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量；
A (X，y)為背景強(qiáng)度；
B (x，y)為條紋的對(duì)比度；
Ψ (X，y)為條紋的變形，其與物體三維面形分布z=h(x，y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O),
其中，I為工業(yè)相機(jī)光心到參考面的距離，d為投影裝置光心與工業(yè)相機(jī)光心的距離，λ C1是光柵節(jié)距，ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值，ΘΑ為通過(guò)畸變的光柵圖像得到的相位值。
[0009]進(jìn)一步地，步驟3中，利用極線約束將兩個(gè)圖像中的被測(cè)物體的邊緣部分進(jìn)行匹配，從而找到兩個(gè)圖像之間的像點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0010]進(jìn)一步地，步驟4采用OPENGL和C++編程實(shí)現(xiàn)三維物體重建。[0011 ] 本發(fā)明的方法對(duì)相對(duì)平滑的物體進(jìn)行不接觸,可以主動(dòng)式、實(shí)時(shí)、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測(cè)量與重建。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明中的三維測(cè)量系統(tǒng)組成圖。
[0013]圖2是本發(fā)明中的測(cè)量原理圖。
[0014]圖3是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)光經(jīng)物體表面調(diào)制。
[0015]圖4是雙目視覺(jué)中的極線與極平面。
[0016]圖5是本發(fā)明處理方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。
[0018]請(qǐng)參考圖1至圖4，本發(fā)明提供了一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法，包括:
步驟I，將編碼光柵5投射到待測(cè)物體I表面，優(yōu)選地，所述編碼光柵5為經(jīng)過(guò)編碼的條紋結(jié)構(gòu)光；例如，可以采用一臺(tái)高亮度投影儀3將編碼光柵5投射到待測(cè)物體I的表面。
[0019]在圖2所示的實(shí)施例，A為紅色通道強(qiáng)度變化模式，B為綠色通道強(qiáng)度變化模式，C為藍(lán)色通道強(qiáng)度變化模式，三者疊加形成如D所示的復(fù)合三色鋸齒形圖案。
[0020]步驟2，從兩個(gè)不同角度分別獲取所述待測(cè)物體表面的圖像；例如，可以采用兩臺(tái)同步高分辨工業(yè)相機(jī)2拍攝上述圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)2通過(guò)1394線和1394卡連接到電腦4上，高亮度投影儀3經(jīng)由USB插口連接到電腦4上。優(yōu)選地，所述工業(yè)相機(jī)2的分辨率為2048X 1536，幀率為lOfps。在電腦4的控制下，編碼光柵5由投影儀3依次投影到被測(cè)物體I上，再由工業(yè)相機(jī)2依次拍攝條紋圖像。
[0021]步驟3，根據(jù)光柵相移法和極線約束，對(duì)所述兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
步驟4，根據(jù)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)所述待測(cè)物體的三維形狀。
[0022]本發(fā)明的方法對(duì)相對(duì)平滑的物體進(jìn)行不接觸,可以主動(dòng)式、實(shí)時(shí)、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測(cè)量與重建。
[0023]優(yōu)選地，所述編碼光柵所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。優(yōu)選地，多次投射所述編碼圖案，且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。這樣，分割區(qū)域的數(shù)目與投影圖案的幅數(shù)的關(guān)系式為2n。將所得的條紋圖像進(jìn)行二值化處理，白色條紋區(qū)域的像素標(biāo)記為“1”，黑色條紋區(qū)域的像素標(biāo)記為“O”。
[0024]由于本發(fā)明攝像機(jī)分辨率為2048X1536，投影儀的分辨率為1024X768。根據(jù)采樣定理，攝像機(jī)和投影儀的采樣頻率域投影儀對(duì)物體表面的區(qū)域劃分頻率之比應(yīng)大于2，采用橫向分割物體表面區(qū)域的方法，采用的采樣頻率最大值應(yīng)為投影儀的橫向分辨率1024。故投影編碼條紋圖案數(shù)量N的計(jì)算式為:1024/2N ^ 2，得到N ( 9，故此選用9幅圖案。經(jīng)過(guò)9次投影與處理后，圖像中的每一個(gè)像素獲得一個(gè)9位的二進(jìn)制編碼，從“000000000”到“111111111”。
[0025]當(dāng)正弦光柵圖被投射到三維物體表面時(shí)，光場(chǎng)被待測(cè)物體表面所調(diào)制，此時(shí)，兩臺(tái)高分辨率工業(yè)相機(jī)將抓取被測(cè)物體的表面圖案，并把獲得的圖案和自身位置傳遞給電腦。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述步驟2中獲得的圖像為所述編碼光柵使用的編碼圖案被投射到所述待測(cè)物體表面時(shí)，被所述表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像，將所述變形光柵圖像由下式表示:
I (x，y)=R (χ，y) X { A (x, y) + B (x, y) X cos [ Ψ (x, y)]}
其中，
I (x，y)為變形光柵圖像的光譜強(qiáng)度；
R (χ，y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量；
A (X，y)為背景強(qiáng)度；
B (x，y)為條紋的對(duì)比度；
Ψ (X，y)為條紋的變形，其與物體三維面形分布z=h(x，y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O),
其中，I為工業(yè)相機(jī)光心到參考面的距離，d為投影裝置光心與工業(yè)相機(jī)光心的距離，λ C1是光柵節(jié)距，ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值，ΘΑ為通過(guò)畸變的光柵圖像得到的相位值。
[0026]優(yōu)選地，所述步驟3中，利用極線約束將所述兩個(gè)圖像中的被測(cè)物體的邊緣部分進(jìn)行匹配，從而找到所述兩個(gè)圖像之間的像點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，這些邊緣部分反映了三維物體的外部形狀。
[0027]在圖4中，PL為左圖像平面，PR為圖像平面，L為極線，E為極平面，B為基線。請(qǐng)參考圖4，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，采用下述原理進(jìn)行匹配:
可以采用基本矩陣表示匹配點(diǎn)對(duì)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，基本矩陣包含了攝像機(jī)的內(nèi)參和外參信息。通用的基礎(chǔ)矩陣表示形式為F=Kt [tlXRK—1，其中:K為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)陣，R，t分別為攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矢量?；揪仃囀菙z像機(jī)標(biāo)定、匹配和跟蹤、三維重建的基礎(chǔ)，獲得基本矩陣為計(jì)算外極線的關(guān)鍵步驟。
[0028]為了獲得基本矩陣，首先，建立初始化標(biāo)記的左右兩幅圖像上的對(duì)應(yīng)匹配點(diǎn)集合為{P1，P2，P3，-, Pn)和{P1，，P2，，P3，，…，Pn’)，然后根據(jù)式(I)計(jì)算基本矩陣F。
[0029]PiW^P/ =0, (i=l,…η)(I)
利用基本矩陣得到與左側(cè)圖像IL中的一個(gè)點(diǎn)Pl相對(duì)應(yīng)的右側(cè)圖像IR中的外極線12，例如，可按式(2)得到外極線12:
12=F*P1，其中F為基本矩陣；(2)
同理，利用基本矩陣得到與右側(cè)圖像IR中的一個(gè)點(diǎn)P2相對(duì)應(yīng)的左側(cè)圖像IL中的外極線11，例如，可按式(3)得到外極線11:
11=F*P2(3)
進(jìn)一步地，如果IR中的任意一點(diǎn)P2在圖像IL中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為P1，則Pl —定在11上，并且滿足
P1T*FT*P2=0(4)
每條極線可用三個(gè)參數(shù)a，b，c表示，即 a氺u+b氺v+c=0(5) 根據(jù)上述極線參數(shù)，可將邊緣部分檢測(cè)從二維搜索變?yōu)橐痪S搜索。由圖4可知，被測(cè)物體的某一邊緣點(diǎn)分別成像于左右兩個(gè)像平面。如，確定某點(diǎn)P在左像平面的像點(diǎn)為匕，則需要在右像平面中尋找Ρκ，是一種二維搜索。利用極限約束可知，通過(guò)上面的公式(3)，Pe-定位于右像平面和極平面的交叉線，即極線之上，則變成了一維搜索。
[0030]通過(guò)上述方式，可進(jìn)行快速匹配。由以上理論獲取極線參數(shù)后，邊緣檢測(cè)從二維搜索變?yōu)橐痪S。同時(shí)，利用分區(qū)子圖方法，設(shè)定更小的范圍，從而以較快的速度確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)。[0031 ] 優(yōu)選地，所述步驟4采用OPENGL和C++編程實(shí)現(xiàn)三維物體重建。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法，其特征在于，包括: 步驟I，將編碼光柵投射到待測(cè)物體表面； 步驟2，從兩個(gè)不同角度分別獲取所述待測(cè)物體表面的圖像； 步驟3，根據(jù)光柵相移法和極線約束，對(duì)所述兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟4，根據(jù)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)所述待測(cè)物體的三維形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述編碼光柵為經(jīng)過(guò)編碼的條紋結(jié)構(gòu)光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述編碼光柵所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，多次投射所述編碼圖案，且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中獲得的圖像為所述編碼光柵使用的編碼圖案被投射到所述待測(cè)物體表面時(shí)，被所述表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像，將所述變形光柵圖像由下式表示:
I (x，y)=R (X，y) X { A (x, y) + B (x, y) X cos [ Ψ (x, y)]} 其中， I (x，y)為變形光柵圖像的光譜強(qiáng)度； R (X，y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量； A (X，y)為背景強(qiáng)度； B (x，y)為條紋的對(duì)比度； Ψ (X，y)為條紋的變形，其與物體三維面形分布z=h(x，y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O), 其中，I為工業(yè)相機(jī)光心到參考面的距離，d為投影裝置光心與工業(yè)相機(jī)光心的距離，λ C1是光柵節(jié)距，ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值，ΘΑ為通過(guò)畸變的光柵圖像得到的相位值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，利用極線約束將所述兩個(gè)圖像中的被測(cè)物體的邊緣部分進(jìn)行匹配，從而找到所述兩個(gè)圖像之間的像點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4采用OPENGL和C++編程實(shí)現(xiàn)三維物體重建。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK104390608SQ201410692654
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】耿德品, 隋毅, 薛士枚 申請(qǐng)人:上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司