專利名稱：：三維絕對(duì)坐標(biāo)表面成像的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及三維絕對(duì)坐標(biāo)表面成像的方法和裝置，尤其涉及光學(xué)圖像的經(jīng)改進(jìn)相位包裹和解包裹以獲取表面幾何形狀。它進(jìn)一步提出了一種全新的方法來創(chuàng)建、表示、存儲(chǔ)、以及操縱三維幾何表面及圖像。
背景技術(shù)：
：三維幾何表面圖像的獲取以及表示對(duì)許多圖像處理任務(wù)非常重要，包括從動(dòng)漫、電影制作、到醫(yī)學(xué)成像等等。傳統(tǒng)的表示物體圖像的方法基于人眼或者相機(jī)感覺光的振幅的能力。不管用什么方式，捕捉到的圖像一般是用相機(jī)接收到的光的振幅圖來表示，然后這些圖像可進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)鹊?。同樣，用于特殊效果以及諸如動(dòng)漫的其它計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像通常是基于圖像的振幅表示。這些可以是單色的或者彩色的振幅映射。最近，光學(xué)相移技術(shù)已經(jīng)被證明可提供高測(cè)量分辨率。相移技術(shù)包括相移光學(xué)條紋圖案的生成、將這些圖案投影到物體的表面上、對(duì)圖像捕捉在由物體的表面變形時(shí)入射圖案的反射、以及處理反射圖像以提取每個(gè)像素的相位同時(shí)去除相位的不連續(xù)性(即稱為"相位解包裹"的處理)。在相位解包裹之后，物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)可從所得到的相位信息計(jì)算出。術(shù)語"絕對(duì)坐標(biāo)"指坐標(biāo)基于一特定參考點(diǎn)上的事實(shí)，這個(gè)參考點(diǎn)可以任意選取。美國(guó)專利6,788,210(通過引用結(jié)合于此)公開了最近基于用相移技術(shù)進(jìn)行三維表面輪廓測(cè)量方面取得了成就。依賴于三維表面測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域常常需要極快速地捕捉三維信息，從而允許捕捉物體表面的動(dòng)態(tài)變化，或者允許響應(yīng)動(dòng)作。舉個(gè)例子來說，在娛樂業(yè)，像計(jì)算機(jī)動(dòng)漫以及視頻游戲，需要實(shí)時(shí)捕捉和再現(xiàn)面部和/或身體的三維幾何形狀的能力。然而，當(dāng)前的三維幾何運(yùn)動(dòng)捕捉需要將傳感器附連在物體(例如動(dòng)作者)上。這種處理是麻煩和費(fèi)時(shí)的，并且傳感器的存在和大小限制了能夠捕捉的細(xì)節(jié)的量。類似的問題在醫(yī)學(xué)成像方面也存在，其中采用了不是完全便攜的、極慢的三維掃描設(shè)備。通常，需要將病人運(yùn)送到掃描設(shè)備。讓病人坐在設(shè)備前面相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間一動(dòng)不動(dòng)是非常困難的一件事情，同時(shí)也取決于病人的狀況，這也許是不舒服、疼痛、甚至不現(xiàn)實(shí)的。所以，實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動(dòng)物體的三維坐標(biāo)，但是又不借助于笨重的傳感器可以減少這些嚴(yán)重的缺陷一_至少針對(duì)特定類成像需要(例如，表面成像而不是內(nèi)部成像)是如此。實(shí)時(shí)三維表面測(cè)量潛在地可以帶來醫(yī)療診斷和治療的某些方面的一次革命。通過分析運(yùn)動(dòng)肌肉的實(shí)時(shí)三維測(cè)量值，有可能確定例如肌肉是否受到特定疾病的影響或者是否是神經(jīng)而不是肌肉引起該問題的。通過分析胸腔的運(yùn)動(dòng)，可以診斷肺的疾病。通過分析乳房的運(yùn)動(dòng)，非侵入方法來診斷特定的狀況是可行的。同時(shí)，通過提供對(duì)確定在掃描和成像期間患者是否正確就位的反饋，實(shí)時(shí)三維掃描還可改進(jìn)現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)，例如，X-光或核磁共振成像(MRI)機(jī)。實(shí)時(shí)三維掃描還可以用在國(guó)家安全方面以及科學(xué)研究和制造工業(yè)(例如，針對(duì)質(zhì)量控制)。應(yīng)用到光學(xué)成像的相移技術(shù)顧名思義取決于(在發(fā)明的環(huán)境中)產(chǎn)生和檢測(cè)光信號(hào)中的相移。歷史上，光信號(hào)的相移是用機(jī)械光柵來實(shí)現(xiàn)的。最近，相移技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成采用電子技術(shù)產(chǎn)生可數(shù)字解釋的條紋圖信號(hào)，然后電機(jī)械地轉(zhuǎn)換成光學(xué)相移條紋圖(或圖像)，最后通過投影儀來發(fā)出。傳統(tǒng)地，在這樣一個(gè)輪廓測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中，至少有三個(gè)相移條紋圖照射到物體上，它們的反射再加上物體的圖像(即常規(guī)的振幅圖像)被數(shù)碼相機(jī)捕捉，數(shù)碼相機(jī)的輸出被處理以獲取與物體表面信息相對(duì)應(yīng)的三維幾何數(shù)據(jù)。增加相移圖像的數(shù)目導(dǎo)致三維測(cè)量中更高的精度。然而，增加條紋圖數(shù)目需要增加額外的處理，也就是說需要增加資源和時(shí)間的使用。使用越少數(shù)目的條紋圖像，可以實(shí)現(xiàn)越快的速度。要處理三個(gè)或三個(gè)以上相移圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)輪廓測(cè)量是相當(dāng)昂貴的，甚至對(duì)于可購買投影機(jī)及相機(jī)是不切合實(shí)際的，并且處理需要輪廓顯現(xiàn)為對(duì)人眼是平滑的。(如果圖像采集速度至少是每秒30幀，其中一幀是一個(gè)獨(dú)特的圖像，則重建一個(gè)物體的輪廓目前被認(rèn)為是實(shí)時(shí)執(zhí)行的)。此外，在許多應(yīng)用中，能夠捕捉表面紋理同時(shí)獲得三維幾何形狀是合乎需要的。為了在使用三個(gè)相移條紋圖時(shí)獲得可接受的紋理，條紋必須具有非常精確的相移并且條紋型線必須是理想的正弦，否則，紋理質(zhì)量可能會(huì)遭到損害。三維幾何形狀的采集速度還取決于所采用的相位包裹以及解包裹算法的特性。從條紋圖像得到的相位的范圍通常從0到2兀弧度。當(dāng)使用多個(gè)條紋時(shí)，相位每變化2兀，就會(huì)發(fā)生相位中斷。相位解包裹有必要去除經(jīng)包裹相位圖像上的2;r模糊點(diǎn)從而得到連續(xù)的相位圖。其中相位解包裹成功的關(guān)鍵是有能力準(zhǔn)確地檢測(cè)及糾正2兀不連續(xù)性。對(duì)于有噪音的圖像和復(fù)雜幾何表面物體的圖像，以及有銳邊的表面的圖像，相位解包裹通常是很困難的。研究人員已經(jīng)提出了各種相位解包裹算法；然而，對(duì)實(shí)時(shí)捕捉三維幾何形狀，它們?cè)诤侠沓杀镜那闆r下一般都太慢。傳統(tǒng)的相位解包裹得到一相對(duì)相位圖，或一相對(duì)相位解包裹圖，即它并不針對(duì)一參照點(diǎn)。為了得到絕對(duì)相位圖，絕對(duì)相位標(biāo)記信號(hào)可以產(chǎn)生并且投射到物體的表面上，如在美國(guó)專利No.6,788,210中所述。絕對(duì)相位圖是通過從相對(duì)相位圖的每個(gè)像素減去校對(duì)相位標(biāo)記的相位獲得的。雖然這個(gè)方法是有效的，尤其是當(dāng)絕對(duì)相位標(biāo)記是一條線時(shí)，但是它需要取得物體上標(biāo)記的附加圖像，這增加了圖像處理的工作量，從而相應(yīng)地降低了三維幾何數(shù)據(jù)采集的速度。當(dāng)已經(jīng)獲得絕對(duì)相位且己經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)從而建立了相機(jī)、投影機(jī)、和坐標(biāo)已知的基準(zhǔn)之間的關(guān)系時(shí)，物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)就能夠確定。計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)的計(jì)算量非常大，因此它會(huì)是執(zhí)行實(shí)時(shí)三維表面測(cè)量中的限制步驟。常規(guī)地，被捕獲的絕對(duì)相位和幅度信息然后被轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格，從而提供物體表面的逐件線性表示，但丟失相位中所呈現(xiàn)的信息。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和在幾何以及表面特性的建模領(lǐng)域中，這種網(wǎng)格是一種常見的框架來表示表面的幾何表面信息。大部分的圖形處理器"期望"表面能用這種方式來表示。同樣，電腦產(chǎn)生的圖像的虛構(gòu)(例如，在動(dòng)畫軟件中)通常將物體表示為小三角形的網(wǎng)格，這些網(wǎng)格只用像紋理的幅度信息(例如，顏色)來表示空間位置。而網(wǎng)格表示是方便的，但缺乏充分的相位信息的信息內(nèi)容，并需要使用相當(dāng)大的存儲(chǔ)器。鑒于上述內(nèi)容，需要準(zhǔn)確和快速的絕對(duì)坐標(biāo)的三維表面成像方法及系統(tǒng)和更好的圖像表達(dá)格式。因此，本發(fā)明的構(gòu)思至少部分地以消除上述所描述的現(xiàn)有方法和系統(tǒng)的弊端為目標(biāo)，并且示例實(shí)施例是針對(duì)提供方法和儀器來相當(dāng)快地捕捉三維幾何形狀一最好是，實(shí)時(shí)地并更有效率和更穩(wěn)健地表示三維幾何表面。發(fā)明概要相比現(xiàn)有技術(shù)，物體的相位圖像可以結(jié)合傳統(tǒng)的幅度的形象，包括陰影、紋理和輪廓。無論是光學(xué)或通過計(jì)算機(jī)仿真，條紋的紋理由結(jié)構(gòu)光投射到物體上(或仿真以投影)和實(shí)際的或計(jì)算的反射光是被捕捉，包括編碼相位信息和底紋(即常規(guī)幅度圖像)。通過這個(gè)統(tǒng)一的表示方法，稱為"全圖像(holoimage)"，可以恢復(fù)陰影和三維幾何數(shù)據(jù)并維持在數(shù)據(jù)模型，這個(gè)數(shù)據(jù)模型可以容易地顯示和操縱。"全圖像"有如下的優(yōu)越性1.高幾何精度-相比常規(guī)的幾何圖像(即在顧等人"幾何圖像"ACMSiggraph2002,第55-361頁中描述的特殊形式的網(wǎng)格)和深度圖像，對(duì)于表示中同樣數(shù)目的比特，全圖像有高得多的三維精度。2.高效率的無網(wǎng)格渲染-全圖像表示同一圖像內(nèi)的幾何形狀和陰影，并可以有效地不用網(wǎng)格通過現(xiàn)代圖形硬件進(jìn)行有效的渲染。這不僅更加有效地利用現(xiàn)代圖形硬件，而且有可能簡(jiǎn)化圖形處理器的架構(gòu)。3.高采集和處理速度-全圖像不僅可完全在計(jì)算機(jī)內(nèi)(即"虛擬地")產(chǎn)生，而且還可使用投影機(jī)和攝像機(jī)的簡(jiǎn)單排列從現(xiàn)實(shí)世界中捕獲。在"虛擬"的實(shí)施中，投影機(jī)和攝像機(jī)實(shí)際上是用計(jì)算機(jī)模擬的。這種模擬可以是基于硬件或軟件的，或混合實(shí)現(xiàn)。重建算法簡(jiǎn)單到足以自動(dòng)用現(xiàn)代圖形硬件來完成(例如，商業(yè)圖形處理器單元，GPU)。一序列全圖像可在視頻幀速率下捕捉以供動(dòng)態(tài)幾何數(shù)據(jù)采集。4.統(tǒng)一表示-全圖像使圖像處理技術(shù)可應(yīng)用于幾何處理，諸如壓花和雕刻、幾何紋理提取和形變測(cè)量。全圖像可以很方便地轉(zhuǎn)換為并形成其他幾何表示(例如，自動(dòng)地通過硬件)。因此，使用全圖像可避免處理網(wǎng)格的需要，以及來自網(wǎng)格圖像庫的任何圖像，或任何新的網(wǎng)格圖像可容易地轉(zhuǎn)換成全圖像以供將來使用。發(fā)明概述本發(fā)明的一些實(shí)施例利用用于絕對(duì)坐標(biāo)的三維表面測(cè)量的裝置。該裝置包括至少一個(gè)信號(hào)發(fā)生器、至少一個(gè)投影儀、至少一個(gè)相機(jī)、以及至少一個(gè)圖像處理器。該裝置消除了現(xiàn)行方法中固有的詳細(xì)、繁復(fù)且耗時(shí)的設(shè)置過程。這只不過是要求客體定位在相機(jī)前，但是并不需要傳感器或補(bǔ)充。首選的相機(jī)是便攜式的，且只要電力供應(yīng)允許便可進(jìn)行使用。低成本的三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例用于照亮2個(gè)條紋圖和優(yōu)選的一個(gè)均勻圖案。這被稱為"2+1"體系結(jié)構(gòu)。其他替換的相移裝置也可以被用來捕捉三維幾何形狀，但使用2+1相移體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，它不僅可以捕捉高品質(zhì)的紋理，同時(shí)還可以捕獲三維幾何形狀。此外，還投影編碼在各個(gè)圖案上的小標(biāo)記，以有助于絕對(duì)相位以及絕對(duì)坐標(biāo)的確定。這些圖案由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)制從電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過光學(xué)投影系統(tǒng)投射。光照?qǐng)D以重復(fù)序列投射，且一個(gè)或多個(gè)與投影機(jī)同步的相機(jī)根據(jù)序列捕捉所反射的圖案。三個(gè)由投影機(jī)捕獲的圖像可被組合成單個(gè)圖像，即所謂包裹相位圖。包裹相位范圍中的相位值為從0到2?；《?。因此，包裹相位圖包含反映了超出了2兀的物體深度的突變的不連續(xù)點(diǎn)。為了得到連續(xù)相位圖，采用相位解包裹算法。在一些實(shí)施例中，多層次的質(zhì)量引導(dǎo)算法可用于相位解包裹。第一，用包裹相位圖的方差或梯度圖從包裹相位圖獲得質(zhì)量圖。質(zhì)量圖被分為多個(gè)質(zhì)量級(jí)別。然后，相位解包裹從更高質(zhì)量級(jí)別的數(shù)據(jù)點(diǎn)的級(jí)別開始，然后逐個(gè)級(jí)別地處理質(zhì)量級(jí)別較低的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在每個(gè)級(jí)別上，應(yīng)用快速掃描線的相位解包裹的算法。當(dāng)然，在每個(gè)級(jí)別內(nèi)，也可以利用其他的替代相位解包裹的算法。通過檢測(cè)在先前所投影的兩個(gè)條紋圖和一個(gè)低反差圖(flatimage)的每一個(gè)中編碼的小標(biāo)記，可從經(jīng)相位解包裹的相對(duì)相位圖獲得絕對(duì)相位圖。最后，從絕對(duì)的相位圖確定絕對(duì)坐標(biāo)。確定絕對(duì)坐標(biāo)涉及計(jì)算量很大的計(jì)算，這使得只用現(xiàn)有的桌面計(jì)算機(jī)中央處理單元(CPU)很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能。相比之下，使用圖形處理單元(GPU)連同CPU可以大大地增加處理速度。優(yōu)選使用實(shí)時(shí)計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)的GPU輔助方法。本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)捕捉三維幾何形狀數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語"實(shí)時(shí)"并非是精確定義的，因?yàn)楸景l(fā)明所要求保護(hù)的方法以某短暫響應(yīng)時(shí)間提供了物體的動(dòng)態(tài)變化的表面的絕對(duì)三維坐標(biāo)，該響應(yīng)時(shí)間的上限取決于應(yīng)用。發(fā)明人了解到，所需的幀速率應(yīng)足夠快，以捕捉可在不同速度下移動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)，從而絕對(duì)的幾何形狀數(shù)據(jù)能足夠快地可用，以避免從事件發(fā)生到數(shù)據(jù)建立可用的延遲。通常，尋求每秒30幀的幀速率。除了上述的實(shí)施例，包括裝置和方法的基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例是可能的，其中模擬功能的投影機(jī)和相機(jī)的軟件、或軟件和硬件的組合都可以達(dá)到同樣的用途。根據(jù)這些實(shí)施例，"虛擬"裝置產(chǎn)生計(jì)算機(jī)生成圖像或?qū)嶋H物體圖像的表面的統(tǒng)一表示，它包括相位信息和紋理、或陰影。該表示保證靈活的圖像操縱和處理。因此，介紹了本發(fā)明的一些方面，以及單個(gè)實(shí)施例，它們并不旨在限制本發(fā)明。一個(gè)這樣的方面是確定物體三維表面的絕對(duì)坐標(biāo)的的方法。這種方法包括將兩個(gè)各自編碼一標(biāo)記的相移光照?qǐng)D投影到物體的表面上；捕捉光照?qǐng)D從物體表面的反射圖像；組合所捕捉圖像以產(chǎn)生相位包裹圖；通過解包裹相位圖像產(chǎn)生相對(duì)的經(jīng)解包裹相位圖；從該相對(duì)的經(jīng)解包裹相位圖產(chǎn)生絕對(duì)相位圖；并且根據(jù)絕對(duì)相位圖確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)。光照?qǐng)D可以是彩色編碼的圖案，捕捉圖案的反射圖可以包括以黑白模式捕捉所述圖案。圖案的反射圖還可以以黑白模式和彩色模式捕捉。均勻的光照?qǐng)D也可以被投影，并且通過使用均勻光照?qǐng)D的從物體表面反射的圖像，在確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)，可捕捉到物體表面的黑白紋理。該均勻光照?qǐng)D也可以是彩色編碼的。當(dāng)均勻光照?qǐng)D被投影時(shí)，通過使用以彩色模式捕捉的均勻光照?qǐng)D的從物體表面反射的圖像，在確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)，可捕捉到物體表面的彩色紋理。捕捉物體的彩色或者黑白紋理可以包括從均勻光照?qǐng)D的所捕捉圖像刪除經(jīng)編碼標(biāo)記。相位解包裹可以包括產(chǎn)生質(zhì)量圖；將質(zhì)量圖分成多個(gè)質(zhì)量級(jí)別；以及按照質(zhì)量降低的順序?qū)⑾辔唤獍惴ǚ謩e應(yīng)用于各個(gè)級(jí)別。生成質(zhì)量圖可包括生成相位包裹圖的梯度圖，或者相位包裹圖的方差圖。該相位解包裹算法可以是快速掃描線相位解包裹算法。在一些實(shí)施例中，這兩個(gè)相移光照?qǐng)D可能分開約90度的相移。產(chǎn)生兩個(gè)移相光照?qǐng)D可包括只產(chǎn)生兩個(gè)相移光照?qǐng)D。在一些實(shí)施例中，從相對(duì)的解包裹相位圖像產(chǎn)生絕對(duì)相位圖可包括檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記的相位，以及根據(jù)經(jīng)編碼標(biāo)記的所檢測(cè)相位調(diào)整相對(duì)的經(jīng)解包裹相位圖。根據(jù)另一方面，討論用于確定物體三維表面的絕對(duì)坐標(biāo)的裝置。這種裝置可包括至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器，用于產(chǎn)生兩個(gè)相移光照?qǐng)D，其中每一光照?qǐng)D編碼一相位標(biāo)記；至少一個(gè)投影設(shè)備，用于將光照?qǐng)D投影到物體的表面上；至少一個(gè)成像設(shè)備，用于捕捉光照?qǐng)D從物體表面的反射圖；以及至少一個(gè)圖像處理器，用于處理所捕獲的圖像以因變于標(biāo)記的經(jīng)解碼相位確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)。該至少一個(gè)投影設(shè)備可與至少一個(gè)成像設(shè)備同步。該至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器和至少一個(gè)圖像處理器可能是一個(gè)一體化單元的一部分。該至少一個(gè)圖像處理器在處理所捕獲的圖像時(shí)可被調(diào)整和配置成組合所捕獲的圖像以生成相位包裹圖；用解包裹這些相位解包裹圖產(chǎn)生相對(duì)的解包裹相位圖；從相對(duì)的解包裹相位圖生成絕對(duì)相位圖；以及根據(jù)絕對(duì)相位圖確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)。在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器產(chǎn)生一均勻光照?qǐng)D，且至少一個(gè)投影設(shè)備可投影該均勻光照?qǐng)D，并且至少一個(gè)成像設(shè)備可能捕捉物體反射的均勻光照?qǐng)D像。該至少一個(gè)成像設(shè)備可以黑白模式捕捉圖像而至少一個(gè)成像設(shè)備可以色彩模式捕捉圖像。該至少一個(gè)成像設(shè)備可以黑白模式捕捉圖像，并可獨(dú)立和同步地以彩色模式捕捉圖像。在一些實(shí)施例中，光照?qǐng)D可以是彩色編碼的圖案，而這些圖案的反射圖則可以黑白模式捕捉。光照?qǐng)D可以是彩色編碼的圖案，而這些圖案的反射圖則可以黑白模式和彩色模式捕捉。通過使用均勻光照?qǐng)D的反射圖，可在確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)，捕獲物體表面的黑白紋理。通過使用均勻光照?qǐng)D的反射圖，可在確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)，捕獲物體表面的彩色紋理，且其中圖像是以彩色模式捕捉的。捕捉黑白或彩色紋理可包括從均勻光照?qǐng)D上去除經(jīng)編碼標(biāo)記。在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)圖像處理器在相位解包裹時(shí)可被調(diào)整和配置成產(chǎn)生質(zhì)量圖；將質(zhì)量圖分成多個(gè)質(zhì)量級(jí)別；以及按照質(zhì)量降低的順序?qū)⑾辔唤獍惴☉?yīng)用于每個(gè)質(zhì)量級(jí)別。該至少一個(gè)圖像處理器在產(chǎn)生質(zhì)量圖時(shí)可產(chǎn)生相位包裹圖的梯度圖。產(chǎn)生質(zhì)量圖也可包括產(chǎn)生相包裹圖的方差圖。該相位解包裹算法可以是快速掃描線的相位解包裹方法。在投影兩個(gè)相移光照?qǐng)D的一些實(shí)施例中，它們可分開約90度的相移。在某些實(shí)施例下，產(chǎn)生兩個(gè)相移光照?qǐng)D包括只產(chǎn)生兩個(gè)光照?qǐng)D，具有或者不具有均勻光照?qǐng)D。在一些實(shí)施例中，根據(jù)相對(duì)的解包裹相位圖產(chǎn)生絕對(duì)相位圖可包括檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記的相位，以及根據(jù)經(jīng)編碼標(biāo)記的相位來調(diào)整相對(duì)的解包裹相位圖。在一些實(shí)施例中，圖像處理單元可用來根據(jù)絕對(duì)相位圖確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)。從相對(duì)的解包裹相位圖確定絕對(duì)相位圖可包括檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記的相位，以及根據(jù)經(jīng)編碼標(biāo)記的相位來調(diào)整相對(duì)的解包裹相位圖。根據(jù)另一方面，提供一種捕捉編碼物體的至少一部分的表面幾何形狀的三維物體的圖像的方法，包括將多個(gè)條紋圖投影到物體表面上；捕捉條紋圖從物體的反射中的相位變化；將均勻圖像投影到物體上；捕捉均勻圖像從物體的反射；以及在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合所捕捉的相位變化和所捕捉的均勻圖像反射，從而形成物體的"全圖像"表示。所組合的相位變化和均勻圖像反射可被映射到相應(yīng)的色場(chǎng)顯示。在一些實(shí)施例中，所組合的相位變化和均勻圖像反射可被存儲(chǔ)為三色信號(hào)。例如，所述值可被儲(chǔ)存為每個(gè)像素三個(gè)8位值。在一些實(shí)施例中，該方法還包括相位解包裹所捕捉的相位變化，所述相位解包裹包括以第一、相對(duì)較低的空間頻率將多個(gè)條紋圖投影到物體上，并根據(jù)其反射重構(gòu)物體的幾何形狀；以第二、相對(duì)較高的空間頻率將多個(gè)條紋圖投影到物體上，并根據(jù)其反射重構(gòu)物體的幾何形狀，所述重構(gòu)包括模糊相位的像素；根據(jù)所重構(gòu)幾何形狀中相應(yīng)像素的相位值從第一較低空間頻率去除相位模糊。另一方面是產(chǎn)生虛擬三維物體的表示的方法，該表示對(duì)至少一部分物體的表面幾何形狀進(jìn)行編碼，該方法包括當(dāng)多個(gè)條紋圖以及一個(gè)均勻條紋圖分別照射到物體的物理部分上時(shí)計(jì)算入射和反射圖像之間的相移和幅值；并在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合所計(jì)算的相移和幅值，從而形成物體的全圖像表示。在一些實(shí)施例中，所組合的相移和幅值可被儲(chǔ)存為三色信號(hào)值。例如，儲(chǔ)存為每個(gè)像素三個(gè)8位值。在一些實(shí)施例中，該方法還包括相位解包裹相位變化，所述相位解包裹包括當(dāng)多個(gè)條紋圖各自以第一、相對(duì)較低的空間頻率照射到物體上時(shí)計(jì)算入射和反射圖像之間的相移并根據(jù)所述相移重構(gòu)物體的幾何形狀；當(dāng)多個(gè)條紋圖各自以第二、從相對(duì)較高的空間頻率照射到物體上時(shí)計(jì)算入射和反射圖像之間的相移并根據(jù)所述相移重構(gòu)物體的幾何形狀，所述重構(gòu)包括模糊相位的像素；根據(jù)所重構(gòu)的幾何形狀中相應(yīng)像素的相位值從第一、相對(duì)較低的空間頻率去除所述相位模糊。根據(jù)又一方面，記錄三維物體的表面幾何形狀的表示包括一計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)在其上儲(chǔ)存，對(duì)于每個(gè)像素的，表示因第一條紋圖投影到物體上并從物體上反射導(dǎo)致的所捕捉的或者計(jì)算的相位變化的第一值，表示因第二相移條紋圖投影到物體上并從物體上反射導(dǎo)致的所捕捉的或者計(jì)算的相位變化的第二值，以及表示因均勻條紋圖投影到物體上并從物體上反射導(dǎo)致的所捕捉的或者計(jì)算的的幅值的第三值。應(yīng)當(dāng)理解，上述和以下討論的實(shí)施例并不旨在是互斥的，除非上下文另有所指。附圖簡(jiǎn)述通過結(jié)合附圖考慮本發(fā)明實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)三維輪廓測(cè)量的設(shè)置的示意圖2是三維表面測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)方法的流程圖3是根據(jù)本發(fā)明的三維表面測(cè)量的設(shè)置的示意圖4是包括兩個(gè)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維表面測(cè)量設(shè)置的示意圖5示意性地示出包括兩對(duì)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維表面測(cè)量的設(shè)置；圖6示意性地示出兩對(duì)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維表面測(cè)量的設(shè)置；圖7是絕對(duì)坐標(biāo)三維表面測(cè)量方法的流程圖8是采用2+1相移體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)三維表面測(cè)量的方法和裝置的布局圖9是絕對(duì)坐標(biāo)三維表面測(cè)量方法的流程圖，其中彩色和黑白紋理與三維幾何形狀數(shù)據(jù)同時(shí)捕捉；圖10是相機(jī)和投影儀的同步的時(shí)序圖；圖ll示出相位包裹圖以及解包裹圖之間的差異；圖12是多層質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法的流程圖；圖13是掃描線相位解包裹算法的示意圖14是作為掃描線相位解包裹算法的一部分，掃描圖像中小塊的流程圖15是示出三級(jí)質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法的一組圖像；圖16是示出兩波長(zhǎng)相位解包裹的一組圖像；圖17是示出檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記的一組圖像；圖18是GPU管線的流程圖19是通過頂點(diǎn)著色器(vertexshader)計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)的第一流程圖；圖20是通過頂點(diǎn)著色器計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)的第二流程圖。詳細(xì)描述對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過以下參考附圖的對(duì)一些現(xiàn)有技術(shù)的描述，以及根據(jù)給出作為示例的實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例的描述，本發(fā)明以及它的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。三維表面輪廓測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)方法及裝置三維表面測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)置參照?qǐng)D1示意性地示出。信號(hào)發(fā)生器102驅(qū)動(dòng)投影儀104來照亮物體100的表面。相機(jī)106接收相應(yīng)的反射的圖像并將其遞送到圖像處理器108。圖像處理器108從反射圖像得到物體的表面輪廓。如圖1所示，信號(hào)發(fā)生器102和圖像處理器108可以(通常是)放置在同一個(gè)設(shè)備110內(nèi)，諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、處理器、或其它設(shè)備。例如，信號(hào)發(fā)生器和圖像處理器可包括獨(dú)立的在單核或者多核處理器上執(zhí)行的獨(dú)立軟件。信號(hào)發(fā)生器102產(chǎn)生表示條紋圖的信號(hào)，并將那些信號(hào)發(fā)送到投影儀104。投影儀104將這些圖案作為圖像110A-114A投影到物體IOO的表面上，相機(jī)106捕捉從物體IOO的表面反射的相應(yīng)圖像110B-114B。圖1示出的示例是圖像110A-114A依次投影以及按相應(yīng)的順序捕捉。在那些反射里，表面幾何形狀引起相位畸變。也就是說，所投影的圖案110A-114A在條紋的強(qiáng)度上展現(xiàn)正弦正則性。圖1示意性地示出豎直的條紋。條紋也可以是水平的、圓形的、或者是豎直、水平、和/或圓形的組合。所接收到的圖案110B-114B不再很規(guī)則；它們包括壓縮區(qū)域和伸展區(qū)域。入射圖案到接收?qǐng)D案的變形唯一地對(duì)應(yīng)于表面輪廓，從而從中可以得到表面輪廓。投影儀和相機(jī)的操作可以并且應(yīng)該使用以前公布的機(jī)制同步。圖像處理器108用來處理圖像，處理的最終目的是得到物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)，或者說物體的三維幾何形狀。200680050647.9現(xiàn)在參看圖2，現(xiàn)有技術(shù)三維表面輪廓測(cè)量的方法200是基于在201至少產(chǎn)生(也就是說，通過如上所述的信號(hào)發(fā)生器102)三個(gè)條紋圖110A-114A,也叫做周期光照?qǐng)D，然后在202、204和206投影這些圖像。實(shí)際上，已使用了三個(gè)以上條紋圖，然而這會(huì)妨礙進(jìn)一步處理的速度。條紋圖可以是黑白(B/W)編碼的(例如，如果是順序投影的)或者彩色編碼的(允許基本同時(shí)投影)。信號(hào)發(fā)生器102還產(chǎn)生在208投影的絕對(duì)相位標(biāo)記。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，絕對(duì)相位標(biāo)記最好是一條線。三個(gè)條紋圖110A-114A的每一個(gè)都從物體表面反射，其相應(yīng)的反射圖像(在210、212和214)被捕捉為相應(yīng)圖像(也就是圖像110B-114B)。還在216獲得絕對(duì)相位標(biāo)記的單獨(dú)圖像(沒示出)。從相位恢復(fù)深度及其它特性捕捉相位畸變?cè)试S恢復(fù)目標(biāo)物體的幾何形狀，即表面深度/輪廓。假設(shè)幾何形狀設(shè)置如下圖像平面是xy面，參考平面在z二O，相機(jī)的光軸是Z軸；投影儀的光軸在同z軸成e角的xz面上。投影紋理的w軸在"面上；v軸同;;軸平行，也就是說，投影條紋同y軸平行。參考平面上沿x軸的條紋周期變成^=人^059。表面被表示為深度函數(shù)z(x,力。條紋圖上每個(gè)像素(x,力的的強(qiáng)度由下面的公式給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>(1)其中"(x,力是環(huán)境光的強(qiáng)度，Kx,力是表面的反射率，它取決于光的入射方向、表面的法線、顏色、材質(zhì)、以及表面的紋理同雙向反射分布函數(shù)(BRDF)非常類似。y是同深度函數(shù)z(x,力成正比的相位。相對(duì)深度可以由以下函數(shù)恢復(fù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>公式(2)包含三個(gè)未知數(shù)a(x,力，Kl力和Wx,力。雖然可從所捕捉或者生成的圖像來推導(dǎo)環(huán)境光并不直觀，但是顯然在數(shù)學(xué)上，如果有可用來解得三個(gè)未知數(shù)的三個(gè)聯(lián)立方程，就可得出這些未知數(shù)。這三個(gè)方程可以通過有相移-^,0,^地投影三個(gè)條紋紋理來生成。則，這些圖像的強(qiáng)度為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>這里/^=0,1,2,并且相位^反射率r,以及環(huán)境光fl可以如下解出^(x,力=tarT吞2/,-/?！?，Kx,力=2^(/3—/2)、(2/,—/2—/3)、(3)(4)(5)a=(/0+/i+/2)/3-〃2,且fl+r/2是重構(gòu)的著色信息。.更一般的來說，投影三個(gè)光照?qǐng)D意味著執(zhí)行所謂三步相移，然后是在220將圖像110B-114B組合成單個(gè)包裹相位圖。彼此分開相移S的三個(gè)所捕捉的圖像在每個(gè)像素(x,y)的強(qiáng)度分別為/,(x,力，/"x,力，和/3(x,力，并定義如下/,(x,力=/'(x,力+尸O,力cos諷x,;;)_0,(6)/20,力=/'(x,力+尸(x,力cos狄x,力)，(7)/3(x,力=/'(x,力+力cos秋;c,力+。，(8)這里/'(x,力是三個(gè)強(qiáng)度的平均強(qiáng)度，是強(qiáng)度調(diào)制，而《x,j;)是要確定的相位。相移S對(duì)不同的應(yīng)用可為不同的值，但是實(shí)驗(yàn)表明，相移120°會(huì)提供相對(duì)較小的測(cè)量誤差，如現(xiàn)有技術(shù)中所述。解方程(6)-(8)，可以得到相位(卜。0力-/3"力)》(x,力=tan一i(9)(2/2(x,_y)-J!(x,_y)-/3(x,力)sin(。數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)用來表達(dá)在每個(gè)像素(x,y)中確定相位的"質(zhì)::值可以表達(dá)為且質(zhì)-cos(。)(/！(x,力—(x,力)]2+[sin(。(2/2(x,力—/(x,力—/3(x,力)]2(/,(x,力+/3(x,力-2/2力)sin(。(10)質(zhì)量值的范圍是從0到1，其中l(wèi)表示最好。數(shù)據(jù)調(diào)制已被用來去除圖像的背景部分。包裹相位圖隨后通過常規(guī)的相位解包裹來解包裹，這在224產(chǎn)生相對(duì)的解包裹相位圖。然后，通過絕對(duì)相位標(biāo)記的所捕捉反射圖的幫助，在226確定絕對(duì)相位圖。圖1中示出的并在圖2中使用的相機(jī)和投影儀用張和黃提出的方法進(jìn)行校準(zhǔn)(Zhang,S.,和Huang,P.S.的"NovelMethodforStructuredLightSystemCalibration."OpticalEngineering,45,2006)，該方法通過引用結(jié)合于此。根據(jù)絕對(duì)相位圖并利用以下的事實(shí)對(duì)所捕捉的圖像的每個(gè)像素點(diǎn)，由于校準(zhǔn)，投影圖像的對(duì)應(yīng)像素是已知的，在228確定物體100的表面的絕對(duì)坐標(biāo)。三維表面測(cè)量的裝置比較而言，圖3包含至少在用于實(shí)踐本發(fā)明的一些實(shí)施例中會(huì)用到的裝置的一般布局圖。如圖所示三維表面測(cè)量的裝置300包括至少一個(gè)信號(hào)發(fā)生器302，將圖像310A-314A投影到物體100的表面上的至少一個(gè)投影儀304，捕捉反射圖像310B-314B的至少一個(gè)相機(jī)306，以及至少一個(gè)圖像處理器308。多個(gè)投影儀304如圖3所示指出了在某些實(shí)施例下取決于應(yīng)用所需的速度以及處理所產(chǎn)生的多個(gè)條紋圖的充足資源的可用性，每個(gè)投影儀都同時(shí)投影光照?qǐng)D，而不是一個(gè)投影儀依次投影這些圖(當(dāng)然也是可行的)的可能性。如以下將討論地，已有利地利用了多個(gè)相機(jī)。參考圖4，根據(jù)本發(fā)明一些方面的裝置的部分實(shí)施例示意性地示出，其中包括兩個(gè)相機(jī)406A和406B與一個(gè)投影儀404。兩個(gè)相機(jī)406A和406B同時(shí)且獨(dú)立地捕捉照亮物體的兩個(gè)相應(yīng)圖像，然后可將這兩個(gè)圖像組合成一個(gè)。相機(jī)可提供黑白或者彩色成像功能。優(yōu)選地，相機(jī)是黑白的。參考圖5，示出另一部分實(shí)施例的一般布局。這個(gè)實(shí)施例包括兩個(gè)黑白相機(jī)506A和506B，分別與彩色相機(jī)507A和507B成對(duì)。采用了一個(gè)投影儀504。圖5示出四個(gè)相機(jī)?；蛘撸瑔蝹€(gè)黑白相機(jī)可與單個(gè)彩色相機(jī)成對(duì)(未示出)。采用彩色相機(jī)以及黑白相機(jī)允許在捕捉物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)捕捉物體表面的彩色紋理。相對(duì)于一個(gè)黑白/彩色相機(jī)對(duì)，兩個(gè)黑白/彩色相機(jī)對(duì)可提供更大面積的覆蓋范圍。黑白相機(jī)506A和506B用來捕捉三維幾何形狀數(shù)據(jù)，而彩色相機(jī)507A和507B用來捕捉彩色紋理，這將結(jié)合圖9在以下描述。圖6示出另一部分實(shí)施例，它包括兩個(gè)工作站610A和610B，一個(gè)工作站與一對(duì)黑白相機(jī)606A和606B相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)工作站與一對(duì)彩色相機(jī)607A和607B相關(guān)聯(lián)。如圖l和3所示，合適的工作站應(yīng)該能夠容納信號(hào)發(fā)生器和在一個(gè)或多個(gè)處理核上實(shí)現(xiàn)的圖像處理器。在每個(gè)工作站的處理器中，程序可以運(yùn)行以用來確保兩個(gè)相機(jī)對(duì)獨(dú)立但同步地工作。捕捉速度優(yōu)選地較高，但數(shù)據(jù)量會(huì)相應(yīng)地比較大；因此，每個(gè)工作站最好有至少兩個(gè)處理器，每個(gè)處理器專用于處理一個(gè)相機(jī)。為了獨(dú)立但是同步地得到物體表面上的三維幾何形狀信息和彩色紋理信息，工作站610A和610B的兩個(gè)處理器可以由外部的觸發(fā)源611來觸發(fā)，從而圖像采集的時(shí)序信號(hào)由外部信號(hào)來確定。當(dāng)然也可采用包括多個(gè)相機(jī)、多個(gè)投影儀、以及其它設(shè)備的設(shè)絕對(duì)坐標(biāo)三維表面測(cè)量方法的綜述參考圖7，提供了本發(fā)明實(shí)施例中采用的絕對(duì)坐標(biāo)三維表面測(cè)量方法的流程圖700。與作為現(xiàn)有技術(shù)三維表面輪廓測(cè)量方法200的一部分產(chǎn)生三個(gè)光照?qǐng)D相反，兩個(gè)條紋光照?qǐng)D312A和314A，加上一個(gè)均勻光照?qǐng)D，或者圖像310A由信號(hào)發(fā)生器302在701產(chǎn)生。相對(duì)于三個(gè)周期性光照?qǐng)D，使用兩個(gè)周期性光照?qǐng)D的方法是有利的，因?yàn)楸痉椒梢越档吞幚硇枨?，從而相?yīng)增加測(cè)量速度。兩個(gè)條紋圖相對(duì)彼此具有90度的相移，優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)使用的120度相移，因此確保結(jié)果圖像的每個(gè)像素的相位的計(jì)算更快。另外，小標(biāo)記在各個(gè)光照?qǐng)D里編碼，如708A-708C所示。在本發(fā)明的實(shí)施例中，小標(biāo)記是小的十字，橫向和縱向的線都是5個(gè)像素長(zhǎng)。，帶有在708A-708C編碼的相應(yīng)標(biāo)記的光照?qǐng)D310A-314A在702、704、和706用投影儀304分別投影到物體100上。標(biāo)記在光照?qǐng)D中編碼并與這些圖案一起投影，因此只需要三個(gè)圖像，而不是圖2所示的四個(gè)圖像。如前所述，這可以增加測(cè)量的速度。圖案從物體表面的反射可由相機(jī)306捕捉。三個(gè)圖案310A-314A依次并且重復(fù)被投影，且相機(jī)和投影儀的操作是同步的。光照?qǐng)D312B和314B以及均勻光照?qǐng)D310B進(jìn)一步在圖像處理器308內(nèi)處理。第一處理步驟包括組合三個(gè)所捕捉圖像以產(chǎn)生包裹相位圖。在720，組合圖像310B-314B以產(chǎn)生包裹相位圖721，這被稱為"2+l相22移算法"。"2+1"符號(hào)涉及使用兩個(gè)條紋圖和一個(gè)均勻圖像來照亮物體。圖像312B、314B、和310B的強(qiáng)度可以分別表示為^、12和13。應(yīng)該注意的是，圖像的編號(hào)順序是任意的。相應(yīng)于三步相移法(使用三個(gè)分開120度的條紋圖像)，"2+1"相移算法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可在捕捉物體表面的三維幾何形狀的同時(shí)捕捉到高質(zhì)量的紋理。另外，使用該算法也可以減少與物體運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的計(jì)算誤差。三個(gè)光照?qǐng)D在每個(gè)像素Oc,力上的強(qiáng)度可以表達(dá)如下/(x,力二尸(x,力+尸(x,力sin秋x,力)，(11)/2(x,=/'(x,力+力cos狄x,(12)/3"力=/'"力，(13)這里，/'(X,力是強(qiáng)度/,(X,力和/2(X,力的平均強(qiáng)度，尸(X,力是強(qiáng)度調(diào)制，《X,力是要確定的相位。解方程(11)-(13)，相位被定義為^c,一，m(14)這里，得到的每個(gè)像素(x,;;)上的相位是模27r，其值的范圍是[O,2tt]。每個(gè)像素(x,力上相位的質(zhì)量值(范圍是從0到1)可以使用數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)確定，并定義為通常情況下，相位數(shù)據(jù)的質(zhì)量用來使用某閾值來去除圖像的背景。另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，質(zhì)量值用來檢測(cè)經(jīng)編碼的標(biāo)記，如下所述。再參考圖7，進(jìn)一步處理包裹相位圖像721包括采用多層質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法722來在724產(chǎn)生解包裹相位圖725。在730，檢測(cè)在708A-708C編碼的標(biāo)記以有助于在726產(chǎn)生絕對(duì)相位圖727，然后在728確定絕對(duì)坐標(biāo)729。圖8示意性地示出某些實(shí)施例的一個(gè)方面彩色編碼的圖像作為疊加的顏色編碼信號(hào)800由信號(hào)發(fā)生器302產(chǎn)生。信號(hào)800然后發(fā)射到投影儀304。投影儀304可以是例如單芯片數(shù)字光處理(DLP)投影儀，該投影儀基于數(shù)23字光切換技術(shù)、將疊加信號(hào)800投影為三個(gè)獨(dú)立圖案。在DLP投影儀中，圖像由在半導(dǎo)體芯片上排列成矩陣的微小反射鏡陣列(稱為數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD))上產(chǎn)生。實(shí)質(zhì)上，DMD芯片上的每個(gè)像素是反射鏡。疊加信號(hào)是分別在綠(G)、紅(R)和藍(lán)(B)色通道中編碼的三個(gè)圖案802、804和806的組合。顏色通道的分配在一定程度上是隨意的。因此，平面投影802不一定是在G通道中編碼，而也可以在R或B通道之一中編碼。DLP投影儀以高速順序且反復(fù)地投影包含光照?qǐng)D的疊加信號(hào)。彩色編碼圖從物體100的反射由相機(jī)306以黑白模式捕捉。應(yīng)當(dāng)注意，由彩色相機(jī)以彩色模式捕捉反射也是可能的。另外，顏色編碼光照?qǐng)D也是可任選。如現(xiàn)有技術(shù)所述，優(yōu)選地利用黑白模式來避免與使用彩色相機(jī)相關(guān)聯(lián)的彩色耦合。另外，物體的顏色可能很難與光照?qǐng)D的顏色區(qū)分開，這會(huì)影響測(cè)量的質(zhì)量。相機(jī)306可以是高速黑白相機(jī)，諸如電荷偶合器件(CCD)相機(jī)，其與投影儀304同步并用來捕捉三個(gè)圖案。適當(dāng)?shù)南鄼C(jī)可以是PulnkTM-6740CL(加州圣何塞的JAIPULNiX,Inc.)，盡管別的相機(jī)也可以使用。同步性的描述參考圖10進(jìn)行。在根據(jù)圖8的本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)中，R投影圖804，B投影圖806是條紋圖，而G投影圖802是低反差圖(g卩具有固定強(qiáng)度)。從圖8可見，對(duì)應(yīng)于投影圖804和806的物體表面的結(jié)果圖812和814包含條紋，而對(duì)應(yīng)于投影圖802的圖像810不包含條紋。圖像721是物體100圖像在相位之后的示例，該圖像在下一步中被解包裹成圖像725。該經(jīng)解包裹的圖像然后用來確定物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)，且相應(yīng)的三維幾何形狀的圖像被示為圖像729。該處理由與信號(hào)發(fā)生器302同樣裝在平臺(tái)310上的圖像處理器308處理。紋理捕捉在某些應(yīng)用中，例如電影制作，獲得所測(cè)量表面的紋理是合乎需要的。在本發(fā)明的實(shí)施例中紋理被定義為物體的實(shí)際圖像，這些圖像是除了物體的大規(guī)模三維幾何形狀之外提供的物體表面的附加細(xì)節(jié)。紋理也可以是通常的物體外觀和觸覺感受的紋理，諸如棉帆布、酒椰葉纖維、木材、砂、礫石等等。但是，對(duì)人臉識(shí)別、圖像生成和相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用的用途來說，紋理被用來通過將從(普通)二維圖像獲得的表面的相對(duì)細(xì)微細(xì)節(jié)映射到相關(guān)三維空間來創(chuàng)建復(fù)雜物體表面的外觀。在捕捉表面的三維幾何形狀的同時(shí)，捕捉平的、均勻的光照?qǐng)D提供表面的這種紋理并注冊(cè)之。通常情況下，捕捉黑白紋理(即著色)就夠了。因此，可使用黑白相機(jī)。有些應(yīng)用領(lǐng)域，諸如電影和游戲業(yè)受益于其三維幾何形狀得以確定的物體的彩色紋理的可用性。相應(yīng)地，除黑白相機(jī)之外，可使用彩色相機(jī)。圖9例示本發(fā)明的實(shí)施例，其提供由彩色相機(jī)卯7捕捉所投影的均勻圖案卯2的附加圖像以供獲取彩色紋理934。黑白相機(jī)306以及彩色相機(jī)907捕捉分別由信號(hào)發(fā)生器302產(chǎn)生的光照?qǐng)D902-906的反射910-914和911。因此，可采集到黑白紋理932和彩色紋理934,。在均勻圖案902的圖像也顯然以黑白模式取得，并且這允許采集黑白紋理932。在獲取紋理932和934時(shí)編碼標(biāo)記908A在步驟930被去除。紋理被點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射到絕對(duì)坐標(biāo)727，因此變成整體表面數(shù)據(jù)的一部分。投影儀304以及相機(jī)306和907被校準(zhǔn)(使用現(xiàn)有技術(shù)方法，在下面更詳細(xì)地介紹)，從而所投影圖像和所捕捉圖像的每個(gè)相應(yīng)像素的準(zhǔn)確物質(zhì)。包裹相位圖721是根據(jù)結(jié)合圖7所述的2+1相移算法產(chǎn)生的。隨后，生成解包裹相位圖725，如以下所述地。接下來在730通過檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記(并確定其相位值)來有助于生成絕對(duì)相位圖727。最后，確定絕對(duì)坐標(biāo)729，如以下所述地。相機(jī)和投影儀的同步現(xiàn)在參考圖10,示出了圖9的相機(jī)和投影儀的示例性同步的時(shí)序圖。如本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的投影儀最好是單芯片DLP投影儀(如PLUSU5-632h,PLUSVisionCorp.)，從信號(hào)發(fā)生器302接收彩色編碼圖像(如圖8所示)，然后以黑白模式依次并反復(fù)地以120幀每秒的幀頻投影這些圖像。與投影儀同步的高速CCD相機(jī)(如PulnixTM-6740CL,加州圣何塞的JAIPULNiX,Inc.)用來以180幀每秒的速度捕捉反射圖。根據(jù)2+1相移算法，任意三個(gè)連續(xù)圖像都可以用來重構(gòu)三維幾何形狀。在一個(gè)典型的實(shí)施例中，從信號(hào)發(fā)生器到投影儀的輸出可由常規(guī)的計(jì)算機(jī)圖形適配器，諸如視頻圖形陣列(VGA)適配器(未示出)提供。當(dāng)然，也可使用別的合適的圖形適配器，或者圖形信號(hào)源。投影儀的內(nèi)部時(shí)序1002可以同VGA的豎直同步信號(hào)(VSync)1000同步。雖然顯示在本圖的是2:1關(guān)系，但是這個(gè)比例關(guān)系不是必須的。VSync信號(hào)可以作為基于微控制器電路(未示出)的觸發(fā)信號(hào)，該電路進(jìn)一步產(chǎn)生黑白相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)1004，以及彩色相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)1006。因?yàn)橥队皟x和相機(jī)是由同一個(gè)時(shí)序源VSync1000控制的，所以其同步性是可以保證的。當(dāng)然別的同步方式也可以使用。圖10顯示，由于所使用的黑白相機(jī)的速度限制(最高速度是200幀每秒)，因此黑白相機(jī)需要兩個(gè)投影周期來捕捉三個(gè)以R、B和G編碼的圖案(由豎直虛線以及水平箭頭另外突出表示)，這導(dǎo)致三維表面測(cè)量的幀頻是60Hz。更高速的黑白相機(jī)也可以使用，當(dāng)然可以達(dá)到更高的幀頻。彩色相機(jī)也以60幀每秒的幀頻來捕捉物體表面的彩色紋理。彩色相機(jī)的曝光時(shí)間與承載低反差圖像的投影通道(G)有關(guān)。相位解包裹不幸的是，由方程14得到的恢復(fù)相位是不準(zhǔn)確的它包括潛在的相位模糊量為2k兀，以及明顯的不連續(xù)性，這里k是整數(shù)。也就是說，相位在明顯的不連續(xù)處"包裹"自身。相位模糊會(huì)帶來重構(gòu)幾何形狀的深度跳變。圖11示出了圖像1102-1112用來重構(gòu)圖像幾何形狀的進(jìn)程。圖像1002有多條線(如線1103)來表示相位不連續(xù)性的輪廓。實(shí)際的錯(cuò)誤相位在圖像1104中由沿這些線1103的跳變(如1105)示出。圖像1106中的顯示是放大了的。然而，如果假定圖像沒有劇烈的不連續(xù)性以及表面是光滑的，則模糊性可以使用叫做"相位解包裹"的算法來去除。相位解包裹通過在不連續(xù)處加上或減去2t:弧度的整數(shù)倍來去除2k7i的不連續(xù)性，從而得到圖像1108上示出的幾何形狀(并在圖像lllO和1112放大)。因此，如果表面是光滑的，則跳變曲線(輪廓1103)可以很容易找到并去除。一般來說，有兩種辦法來去除相位模糊(1)將相位值與相鄰像素的作比較并通過沿相位包裹輪廓替換這些值來實(shí)施光滑過渡；以及(2)強(qiáng)制該軌跡的相位值與用另一方式得到的值保持一致(如下面所述的兩波長(zhǎng)方法)。為了得到連續(xù)的相位圖，下面參考圖12-14討論第一種類型的相位解包裹算法。參考圖12，在步驟1202，處理包裹相位圖1200以計(jì)算質(zhì)量圖。質(zhì)量圖在步驟1204被分成N個(gè)質(zhì)量級(jí)別。相位解包裹處理從包含最高質(zhì)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的第k級(jí)開始(g卩ki)。如果還有級(jí)別需要處理(步驟1206)，則解包裹算法處理下一比先前處理級(jí)別質(zhì)量低的數(shù)據(jù)點(diǎn)的級(jí)別(步驟1208)，直到所有的級(jí)別都處理完為止(步驟1210)。對(duì)每個(gè)級(jí)別，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的質(zhì)量被認(rèn)為是一樣的，且采用快速掃描線相位解包裹算法，如圖13和14所示。作為相位解包裹算法的一部分，生成質(zhì)量圖來指導(dǎo)相位解包裹路徑是本領(lǐng)域已知的。質(zhì)量圖通常是基于該像素和相鄰像素的一階差分或者二階差分來構(gòu)建。多種質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法已經(jīng)公布。但是，這些質(zhì)量引導(dǎo)算法通常涉及非常耗時(shí)的逐點(diǎn)排序，從而很難以合理成本實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能。存在能夠快速執(zhí)行相位解包裹的其它算法，但是它們不能提供足夠的準(zhǔn)確度。這里所討論的質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法快速穩(wěn)健。這種多級(jí)別、質(zhì)量引導(dǎo)的算法可足夠快地執(zhí)行相位解包裹，從而只使用諸如可在個(gè)人計(jì)算機(jī)和圖形加速器中找到的不是非常昂貴的處理器就可以滿足實(shí)時(shí)三維幾何形狀采集的速度要求?，F(xiàn)在參看圖13，示意性地示出了與質(zhì)量引導(dǎo)算法相組合的快速掃描線相位解包裹算法。該算法在1300A從選擇一起始點(diǎn)(Xo,yo)開始，起始點(diǎn)通常在圖像的中心，如1300B所示。具有n行的圖像在1302A被通過起始點(diǎn)的豎直和水平(虛)線分成4小塊A-D，如1302B所示；然后每小塊都通過如下所述的掃描線方法進(jìn)行解包裹。如圖1304A-B所示，水平掃描線引導(dǎo)兩個(gè)方向(向左和向右)一即從起始點(diǎn)到圖像的左右邊界一的掃描。在步驟1306，確定圖像中是否有經(jīng)解包裹行，并且如果有，則水平掃描線從起始點(diǎn)(1308)豎直地向圖像的頂部和底部前進(jìn)以引導(dǎo)掃描下兩行，如1310A-B所示。圖14示出一小塊的掃描1400。開始，設(shè)M為該小塊的大小，即此小塊中的點(diǎn)數(shù)，且在1402，計(jì)數(shù)值m設(shè)定為l。點(diǎn)(x,y)m(如圖14所示，為清楚起見帶有下標(biāo)"m")的掃描從1404開始。(為了簡(jiǎn)單起見，點(diǎn)(x,yk的下標(biāo)"m"從這里開始都忽略)。在1406，選擇點(diǎn)(x,y)的L大小的鄰域。同時(shí)，在1406，跟蹤?quán)徲騼?nèi)點(diǎn)的處理的計(jì)數(shù)值c被設(shè)定為l。各自被標(biāo)示為(Xi,yj)e(為了避免復(fù)雜的標(biāo)記，下標(biāo)"c"在下文提及(Xi，yj)c時(shí)或在圖14的1410沒有示出)的點(diǎn)(x,y)的鄰域內(nèi)的這些點(diǎn)被分成兩組面向起始點(diǎn)(X(),yo)的相鄰點(diǎn)，也就是說，該點(diǎn)的x和y距離起始點(diǎn)小于所掃描點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離(IXi-XoK叫x-Xol和lyj-yol《ly-yQl)。另一個(gè)組的數(shù)據(jù)點(diǎn)面向邊界，即相鄰點(diǎn)的x或者y距離起始點(diǎn)大于所掃描點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離(IXi-x。l叫x-Xo1或|yj-yol>|y-yol)°相應(yīng)地，在1410,對(duì)每個(gè)相鄰點(diǎn)(Xi,yj)確定該相鄰點(diǎn)是否面向起始點(diǎn)。如果回答是肯定的，并且相鄰點(diǎn)沒有被解包裹(這一點(diǎn)可以在1412確定)，那么點(diǎn)(x,y)如1414所示被解包裹。所以，如果掃描點(diǎn)的面向起始點(diǎn)的至少一個(gè)相鄰點(diǎn)被解包裹，則該掃描點(diǎn)就被解包裹，且被記錄為經(jīng)解包裹。如果該小塊仍有要掃描的點(diǎn)，則在1416將產(chǎn)生回答"是"，掃描就通過1418繼續(xù)到下一個(gè)點(diǎn)。應(yīng)該理解，只有有效的點(diǎn)，即不屬于背景的點(diǎn)，才需要被解包裹。在步驟1410，產(chǎn)生的否定回答意味著相鄰點(diǎn)面向邊界，指示符變量NFB在1424被設(shè)定為1。如果點(diǎn)(x,y)具有別的相鄰點(diǎn)(這些相鄰點(diǎn)會(huì)在1420確定)，則計(jì)數(shù)值c在1422遞增并檢査另一相鄰點(diǎn)。如果點(diǎn)(x,y)所有的相鄰點(diǎn)都已檢查并且沒有發(fā)現(xiàn)面向起始點(diǎn)的未經(jīng)解包裹的相鄰點(diǎn)，則在1426確定是否變量NFB之前已被設(shè)定為1(即點(diǎn)(x,y)至少具有一個(gè)面向邊界的有效相鄰點(diǎn))。如果回答為"是"，則該點(diǎn)(x,y)在1428被"推到"堆棧上，并且掃描繼續(xù)進(jìn)行。在掃描了該小塊中的所有點(diǎn)之后(即到達(dá)步驟1430)，在1432確定的堆棧中的點(diǎn)(如果有的話)將會(huì)一個(gè)接一個(gè)地"彈出"(即處理)。在1438將解包裹在1436確定的具有至少一個(gè)面向邊界的經(jīng)解包裹相鄰點(diǎn)的彈出點(diǎn)，而在1440其他彈出點(diǎn)被丟棄，不作進(jìn)一步處理。于是，點(diǎn)(x,y)只被掃描一次，且有兩次機(jī)會(huì)被解包裹。質(zhì)量圖的生成需要被特別關(guān)注，因此在此加以描述。在每一像素上定義最大相位梯度的質(zhì)量圖如下Q(i,j)-max(AijX,Ai」"，(16)其中Q(U)取值范圍從0到l，x和y分別為水平和垂直方向，在以(i,j)為坐標(biāo)的給定像素的3x3的鄰域內(nèi)估算最大值。項(xiàng)A/和分別是相位沿x和y方向的偏導(dǎo)數(shù)，分別定義如下和《=max{力一^—1,力}I,I—+1,力——，7.川},(18)此處1|/=小/2兀是在公式(14)中定義的歸一化包裹相位(K取值范圍為從0到l。ff算子通過包裹經(jīng)包裹相位的差異估計(jì)真實(shí)梯度。應(yīng)當(dāng)注意，質(zhì)量圖的像素Q(i,j)所包含的值愈大，其數(shù)據(jù)質(zhì)量愈差。因此，實(shí)際上該圖是逆質(zhì)量圖。在維度為MxN的質(zhì)量圖Q中，每一像素Q(i,j)在公式(16)中定義。在應(yīng)用數(shù)據(jù)調(diào)制掩蔽之后，質(zhì)量圖Q被假定為是正態(tài)分布。正態(tài)分布的平均值和方差被分別定義為一wm(19)禾口^22她力_2層，(20)'■=1乂=1為了將質(zhì)量圖量化成多個(gè)級(jí)別，選擇一閾值以首先將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)集合，一個(gè)集合具有要首先處理的更高優(yōu)先級(jí)，而另一集合在其后處理。初始質(zhì)量閾值ths選為正態(tài)分布Q的平均值5。因此，經(jīng)頭一遍處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)集((i,J)IQ(i,J)〈thJ形成第一級(jí)別，或級(jí)別l。對(duì)于第n-ths級(jí)，閾值s被定義成s=ths+2^"cj。要解包裹的最后一級(jí)不被任一更高質(zhì)量級(jí)別未包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)。采用本發(fā)明的相移算法，接著用數(shù)據(jù)調(diào)制來掩蔽圖像背景，通常導(dǎo)致80%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)處于第一級(jí)。使用所指示的數(shù)字圖案投影便于所獲取良好質(zhì)量的數(shù)據(jù)。發(fā)明人評(píng)估了多級(jí)別質(zhì)量引導(dǎo)算法，結(jié)果表明在絕大多數(shù)情況下，使用3個(gè)質(zhì)量級(jí)別可以提供質(zhì)量足夠好的經(jīng)解包裹相位。雖然可以29使用更多級(jí)別，但是級(jí)別愈多，處理速度愈慢。在另一極端情形下，常規(guī)的質(zhì)量引導(dǎo)相位解包裹算法可用來替代多級(jí)質(zhì)量引導(dǎo)算法，如果犧牲是可被接受的。圖15示出了將3級(jí)質(zhì)量引導(dǎo)相位解包裹算法應(yīng)用于人臉的經(jīng)包裹圖像的示例。頂行顯示了經(jīng)過了3級(jí)解包裹的經(jīng)解包裹數(shù)據(jù)集1500,1502和1504，而底行顯示了對(duì)應(yīng)的圖像1506,1508和1510?？梢钥闯觯槻康闹饕卣髟诘趌級(jí)中已被解包裹。在第2級(jí)中，對(duì)應(yīng)于一些缺失特征的圖像區(qū)域被解包裹，例如面頰的右部。余下的細(xì)節(jié)，例如左耳和脖子的一部分在最后一級(jí)(即第3級(jí))中得到。通過比較相鄰像素來平滑化不連續(xù)處相位過渡的過程并不很有效率。因此，另一方法被加以嘗試，結(jié)果導(dǎo)致雙波長(zhǎng)方法。(當(dāng)然，可使用多于兩個(gè)的波長(zhǎng)，但雙波長(zhǎng)即已足夠。因此，一般而言，此方法可被視為多波長(zhǎng)方法。)基本上，投影紋理中有選定兩個(gè)空間周期、,入2，從而、足夠大以致于其一個(gè)周期就可以覆蓋全部場(chǎng)景范圍。因此，不存在相位模糊，但是重構(gòu)的幾何精度比較低；M小很多，存在相位模糊，但是重建的幾何精度比較高。通過兩幅全圖像之間的深度一致性，第2幅全圖像的相位可被解包裹，也就是說適當(dāng)?shù)?兀整數(shù)倍可被確定下來。換言之，兩幅圖像的深度不必被強(qiáng)制相等，但從第一個(gè)投影得到的深度被用來確定第二圖像的相位應(yīng)當(dāng)映射27i的多少倍。圖16示出作為關(guān)于具有豐富幾何特征的宙斯雕塑的計(jì)算結(jié)果的圖像，使用的方法是雙波長(zhǎng)法。圖16的6幅圖像1601-1606示出雙波長(zhǎng)相位解包裹的本質(zhì)。圖像1601是宙斯胸像的全圖像，、空間頻率(即投影條紋圖的頻率)為lHz。圖像1602顯示在^得到的重構(gòu)幾何形狀。當(dāng)然，重構(gòu)的幾何形狀非常粗糙，但是不必進(jìn)行相位解包裹，并且它可以被用作對(duì)具有更密條紋圖的全圖像進(jìn)行相位解包裹的基準(zhǔn)。圖像1603是在、空間頻率64Hz得到的全圖像。圖像1604顯示了由全圖像1603未經(jīng)相位解包裹而得到的重構(gòu)幾何形狀。實(shí)輪廓線是相位突變輪廓。圖像1605是在通過與圖像1602保持深度一致性實(shí)現(xiàn)的相位解包裹之后重構(gòu)的圖像1604的幾何表面。圖像1606是著色圖像(g卩，只有振幅-常規(guī)攝影圖像)。由質(zhì)量引導(dǎo)多級(jí)相位解包裹算法得到的經(jīng)解包裹圖像是相對(duì)解包裹相30位圖。要得到物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)，需要絕對(duì)相位。要想確定絕對(duì)相位，現(xiàn)有技術(shù)方法是多拍攝一附加中線圖像。但是，增加用來重構(gòu)3維幾何形狀的圖像的數(shù)目降低了測(cè)量速度。因此，如圖7和9所示，優(yōu)選在每一投影光照?qǐng)D中編碼一標(biāo)記。檢測(cè)到經(jīng)編碼標(biāo)記使得絕對(duì)相位能夠計(jì)算，同時(shí)保持3維幾何形狀數(shù)據(jù)釆集速度足以使其被視為實(shí)時(shí)。為了減少測(cè)量誤差，在一些實(shí)施例中，標(biāo)記的大小選得很小。但是，在二維圖像中定位小標(biāo)記一般較困難，尤其是在圖像模糊的情形下。圖17示出檢測(cè)標(biāo)記的示例。在圖像1700中，位于橢圓形白色窗口的標(biāo)記1708A(對(duì)比度加強(qiáng))幾乎難以看清。為了自動(dòng)檢測(cè)該標(biāo)記，生成更清晰地顯現(xiàn)標(biāo)記的y圖。這在圖像1702中示出，其中在手的更淺背景下，標(biāo)記1708B顯示成暗斑。然而，在通常情形下，從Y圖中檢測(cè)標(biāo)記也很困難。因此，基于數(shù)據(jù)質(zhì)量掩模被創(chuàng)建，使用上述的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)計(jì)算并用來去除背景。Y圖反相黑色變白色，以及白色變黑色。包含有標(biāo)記1710B的圖像1704顯示了實(shí)現(xiàn)掩模之后的反相Y圖。由本質(zhì)上是圖案識(shí)別算法的標(biāo)記檢測(cè)算法來檢測(cè)經(jīng)編碼標(biāo)記。此種算法可以利用已知的對(duì)極(epipolar)幾何途徑，根據(jù)該途徑投影儀所投影的點(diǎn)總是被成像到相機(jī)所拍攝圖像的一條線(被稱為交叉對(duì)極線)上，如果相機(jī)鏡頭沒有畸變的話。因此，在進(jìn)行測(cè)量之前，相機(jī)圖像中的交叉對(duì)極線被校準(zhǔn)并儲(chǔ)存起來以備將來之需。為了校準(zhǔn)該線，置于距相機(jī)不同距離的比較大的白色平面物體被拍照。在這一系列圖像中找出十字中心，它們形成了對(duì)極線。標(biāo)記檢測(cè)僅需要在校準(zhǔn)線上進(jìn)行，這使得該檢測(cè)更快更穩(wěn)定。在本發(fā)明的一方面中，基于模板的方法被用于尋找標(biāo)記中心。例如，一示例性模板是5x5陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多于99%的標(biāo)記可使用所述方法正確地檢測(cè)到。一旦標(biāo)記的相位())。被確定下來，每一像素的絕對(duì)相位(t)a(ij)能夠用下面的公式得到如果尚未可用，則在得到絕對(duì)相位圖之后，應(yīng)當(dāng)建立唯一的從CCD相機(jī)像素到DLP投影儀DMD像素之間的點(diǎn)到線映射。一旦此關(guān)系被建立，就可得到所測(cè)量物體的絕對(duì)坐標(biāo)。投影儀和相機(jī)的校準(zhǔn)可使用已發(fā)表的校準(zhǔn)方法(Zhang,S.和Huang,P.S.,"NovelMethodforStructuredLightSystemCalibration,"OpticalEngineering,45,2006),其通過引用結(jié)合于此。根據(jù)這種方法，投影儀和相機(jī)一樣被啟用以"捕捉"圖像，因而可以像相機(jī)一樣校準(zhǔn)。相機(jī)校準(zhǔn)方法是沿用已久的。以下給出投影儀和相機(jī)的校準(zhǔn)的例示性示例。作為一個(gè)例子，令3x4矩陣,和,分別表示相機(jī)和投影儀外在和內(nèi)在參數(shù)矩陣《a12《《畫《1<:^33a34《《《w21《2《1"32<3《4,和(22)(23)這些矩陣包含從相機(jī)或投影儀坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣。世界坐標(biāo)系，或絕對(duì)坐標(biāo)系(x,y,z)與相機(jī)像素坐標(biāo)(ue,ve)及DMD像素坐標(biāo)(up,v"之間的關(guān)系是.17"1"1If和S卞P(24)(25)=f[xyzif,這里ssp分別是相機(jī)和投影儀的比例因子。當(dāng)?shù)玫浇^對(duì)相位(^之后，相機(jī)坐標(biāo)和投影儀坐標(biāo)的關(guān)系能被建立為，(26)這里fa是相機(jī)像素的絕對(duì)相位。因?yàn)樗队暗臈l紋圖由均勻的條紋組成，并假設(shè)條紋圖具有條紋間距nHn^_^々田卄口/傷志脅口口，，七6rVi/傷吝M(jìn)脅曰.TirP"FTT^旦石llITTSTfVir，ph可求^c乂口j別口m豕示夕乂1=1，且入a/ihjrn1^系/E、:^)c疋vv_,h」'i寸-,」|-叫口.」公式:(27)這里^是圖像上由DMD捕捉的垂直線，作為相機(jī)圖像上的任意點(diǎn)(ue,vc)它們具有相同的絕對(duì)相位值。此公式中W172項(xiàng)被用來將所投影條紋圖的中心轉(zhuǎn)換到絕對(duì)相位0。從公式(22)-(27)，絕對(duì)坐標(biāo)可計(jì)算如下<table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>(28)計(jì)算涉及數(shù)學(xué)計(jì)算密集的矩陣計(jì)算。若所有的計(jì)算都由CPU完成，則實(shí)時(shí)重構(gòu)和顯示將很難在一般的臺(tái)式機(jī)上實(shí)現(xiàn)。GPU-輔助三維表面測(cè)量因此，圖形處理單元(GPU)可用來更有效地根據(jù)絕對(duì)相位計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)，從而減少CPU的負(fù)擔(dān)。使用GPU可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)計(jì)算和渲染。GPU是被設(shè)計(jì)主要用來處理三維圖形的微處理器。GPU—般內(nèi)嵌有集成的變換、光照、三角形設(shè)立/裁剪和渲染引擎，其能夠每秒處理數(shù)百萬的數(shù)學(xué)計(jì)算密集處理。本發(fā)明的實(shí)施例利用GPU來幫助CPU進(jìn)行數(shù)學(xué)密集計(jì)算。在絕對(duì)相位圖中，每一像素包含絕對(duì)相位值。目的在于將此圖轉(zhuǎn)換到物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)。參照?qǐng)D18,其顯示了一些實(shí)施例中采用的GPU管線。CPU1802將輸入頂點(diǎn)數(shù)據(jù)1804發(fā)送給GPU1800。圖19示出在輸入頂點(diǎn)數(shù)據(jù)1804中每一數(shù)據(jù)點(diǎn)被表示為(x,y,z,w)和法向量(nx,ny,nz)的齊次坐標(biāo)的位置。再度參照?qǐng)D18，GPU1800為每一頂點(diǎn)生成光照，重建多邊形并柵格化它們的像素，然后將柵格化的圖像1818輸出到顯示屏(未示出)。GPU1800允許用戶指定代碼在管線的頂點(diǎn)和像素部分內(nèi)執(zhí)行，它們被分別稱為頂點(diǎn)著色器1810和像素著色器1816。頂點(diǎn)著色器是用于圖形處理的計(jì)算機(jī)程序，用來通過對(duì)物汰的TS占教抿講籽教登沄笪為二辨卓問由的物汰添加鮭碟教果-T頁占著色器1810被應(yīng)用于每一個(gè)頂點(diǎn)并在可編程頂點(diǎn)處理器上運(yùn)行，如在圖19中1900示意性地示出。GPU可具有多個(gè)頂點(diǎn)處理器。因而，在本發(fā)明一些實(shí)施例中采用的425MHzQuadroFX3450GPU具有并行執(zhí)行的8個(gè)頂點(diǎn)處理器。圖19詳細(xì)地說明由運(yùn)行在多個(gè)可編程頂點(diǎn)處理器1900中的頂點(diǎn)著色器1810執(zhí)行的頂點(diǎn)變換步驟1806。頂點(diǎn)著色器負(fù)責(zé)計(jì)算圖像中每一頂點(diǎn)的裁剪空間坐標(biāo)和色彩。在圖19中，通過將輸入坐標(biāo)與模型視圖矩陣(未示出)相乘，頂點(diǎn)著色器1810生成裁剪空間坐標(biāo)(cx,cy,cz,cw)，如在1904中示出。模型視圖矩陣跟蹤相機(jī)相關(guān)于對(duì)物體執(zhí)行的變形、旋轉(zhuǎn)、縮放和平移的位置。為了每一頂點(diǎn)的可視化，需要對(duì)每一頂點(diǎn)指定顏色。于是，如在1904中顯示，頂點(diǎn)著色器1810根據(jù)(R,G,B)形式的光照條件計(jì)算頂點(diǎn)的顏色。在多邊形組裝步驟1808，頂點(diǎn)根據(jù)其輸入順序被組裝成多邊形頂點(diǎn)。GPU1800通過并行計(jì)算自動(dòng)處理流送數(shù)據(jù)的傳送。雖然GPU的時(shí)鐘頻率通常遠(yuǎn)低于CPU(例如，425MHzQuadroFX3450GPU相比3.4GHzPentium4CPU)，它的多個(gè)并行頂點(diǎn)處理器提供了遠(yuǎn)大于CPU的GPU處理能力。隨著GPU復(fù)雜度的提高，頂點(diǎn)處理器的數(shù)目也在增加，因而帶來了計(jì)算性能的提高。再次參照?qǐng)D18，當(dāng)多邊形組裝在步驟1808完成之后，多邊形柵格化和插值步驟1812將被執(zhí)行。在柵格化期間，每一多邊形被逐個(gè)像素繪制。像素著色器主要用于計(jì)算每一像素的顏色性質(zhì)。它們通常比頂點(diǎn)著色器具有大得多的處理能力。像素著色器1816應(yīng)用于所創(chuàng)建多邊形的每一個(gè)像素上且由多個(gè)像素著色單元(未示出)運(yùn)行。在一些實(shí)施例中使用的圖形卡NVidiaQuadroFX3450具有24像素著色單元。像素著色器的輸出進(jìn)一步被柵格化處理單元1814處理，此處不作進(jìn)一步的討論。參照?qǐng)D20，根據(jù)一些實(shí)施例，頂點(diǎn)著色器2000在GPU1800內(nèi)用來計(jì)算每一頂點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)、法向量和顏色。在這些實(shí)施例中，頂點(diǎn)數(shù)據(jù)被表示為虛設(shè)柵格網(wǎng)，和物體表面具有同樣的連接性。指派給每一輸入頂點(diǎn)的"坐標(biāo)"是絕對(duì)相位圖的像素的絕對(duì)相位值，和頂點(diǎn)的柵格索引。如圖19所示，每一輸入頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)具有4個(gè)構(gòu)成部分。因此，在默認(rèn)柵格網(wǎng)上三角形的三個(gè)相鄰頂點(diǎn)的絕對(duì)相位和三角形的相關(guān)聯(lián)索引組成了頂點(diǎn)位置向量2002。應(yīng)當(dāng)理解，默認(rèn)柵格網(wǎng)中三角形的頂點(diǎn)包含與絕對(duì)相位圖中的相應(yīng)三個(gè)像素的三個(gè)絕對(duì)相位值。此頂點(diǎn)應(yīng)和輸入給GPU的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)相區(qū)別，且其中每一頂點(diǎn)被表示為上述三角形及其索引。在圖20中，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，定義為vo,力，禾Qv2,分別具有絕對(duì)相位A,和^，且vo具有索引^。因此，頂點(diǎn)位置向量1902被定義為(A,A,A,f^)。因?yàn)槿切蔚娜齻€(gè)頂點(diǎn)間的關(guān)系己知，另外兩個(gè)頂點(diǎn)的索引，Vi和v2，根據(jù)vo的索引唯一地確定。當(dāng)絕對(duì)坐標(biāo)2004確定之后，根據(jù)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)可計(jì)算出頂點(diǎn)VQ的法向量。當(dāng)頂點(diǎn)法向量2006為已知之后，GPU1800生成裁剪空間坐標(biāo)2008，且根據(jù)光照條件設(shè)置生成頂點(diǎn)的顏色2010。表格1顯示了只用CPU和利用GPU輔助的CPU計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)和渲染的結(jié)果對(duì)比。在這些實(shí)驗(yàn)中，程序代碼用C十+在MicrosoftVisualC++.net2005環(huán)境中編寫，且同樣的條件被用來評(píng)估兩種途徑的性能。從該表格，顯然可見GPU提高了計(jì)算和渲染的速度。對(duì)于全分辨率圖像(532x500)，NVidiaQuadroFX3450圖形卡能夠每秒處理25.56幀(25.56fps)，而3.4GHzCPU使用同樣的圖形卡來顯示結(jié)果只能每秒處理6幀。此處，GPU速度比CPU速度快4倍。另外，對(duì)于人臉的實(shí)際測(cè)量，只有約一半的像素需要被渲染，因?yàn)楸尘安蛔黠@示。因此，GPU輔助三維形狀測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)每秒30幀以上的速度。應(yīng)當(dāng)注意，甚至使用相對(duì)便宜的ATI9800XT圖形卡，計(jì)算和渲染物體圖像的四分之一的點(diǎn)可達(dá)到每秒53.37幀，比每秒30幀更快，足以提供實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)采集。表格1<table>tableseeoriginaldocumentpage35</column></row><table>注意QuadroFX1400和QuadroFX3450是NVidia圖形卡。計(jì)算機(jī)是具有雙CPU—分別為Pentium43.2GHz和3.4GHz的DellPrecision670工作站。全圖像的求值全圖像提供的重構(gòu)幾何精度由很多因素決定。一些直接因素有圖像的分辨率(mxmj,像素比特一深度M,條紋的空間頻率〃，投影角度^。假設(shè)在全圖像上指定的像素有1一比特誤差。重構(gòu)幾何誤差為-從此公式可得出，增加投影條紋空間頻率可以增加精度。實(shí)際上，空間頻率具有上限，其由投影儀和相機(jī)的分辨率所確定。同樣，增大投影角度0可以提高重構(gòu)幾何形狀的精度，但也會(huì)增加被遮擋的區(qū)域(例如，由物體特征遮蔽的區(qū)域)。圖21示出不同參數(shù)的效果。圖像2102,2104,2108,和2110以同樣的投影角度15°，但是不同的空間頻率2Hz(圖像2102和2104)和8Hz(圖像2108和2110)創(chuàng)建(生成)。圖像2102,2108,2106和2112以同樣的空間頻率(2Hz)但是不同的投影角度15。(圖像2102,2108)和80°(圖像2106,2112)生成。區(qū)別非常明顯。(應(yīng)當(dāng)理解，投影角度80。是計(jì)算機(jī)上合成的結(jié)果，如此之大的投影角度在光學(xué)投影系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲矬w的某些特征可能被另外一些特征或區(qū)域所遮擋。雖然如此，這些圖像顯示了參數(shù)選擇的影響。事實(shí)上，所有圖21中的圖像都是用計(jì)算機(jī)生成的。)同幾何圖像的比較常規(guī)的幾何圖像(geometryimage)(—種規(guī)則網(wǎng)格)和深度圖(depthimage)利用顏色信息編碼深度信息。幾何誤差公式是&=l/m2"。與公式29相比較，很明顯，若//"116>>1，則全圖像具有高得多的幾何精度。實(shí)際上，可被選為128，e在30度左右。因此，這樣的全圖像比相應(yīng)的幾何圖像精確64倍。利用全圖像，一般的24-比特圖像格式可以足夠好地存儲(chǔ)幾何信息；對(duì)于幾何圖像而言，這是不可能的。所生成(即，虛擬)的全圖像利用現(xiàn)代圖形管線，可以非常容易地合成(即生成)全圖像，從而模擬在物理投影儀/相機(jī)裝置中發(fā)生了什么(甚至執(zhí)行在投影儀、相機(jī)裝置中不真實(shí)的操作)。如圖22所示，舉例而言，三個(gè)正弦條紋圖2202,2204和2206可被預(yù)計(jì)算并被儲(chǔ)存成3通道24比特的彩色條紋圖。，在計(jì)算機(jī)上表示成表面模型的虛擬物體和模擬入射光圖案的交互作用可被計(jì)算出來，從而得到模擬相移輸出和模擬的著色圖像，如2208,2210和2212所示。相位和著色數(shù)據(jù)可如同在真物理相機(jī)中提供的數(shù)據(jù)那樣組合，以得到全圖像。為了簡(jiǎn)化全圖像的分析，更傾向于采取一種標(biāo)準(zhǔn)配置，其中投影紋理和相機(jī)使用正交投影，且?guī)缀挝矬w被歸一化到單位立方體中。另外，在計(jì)算時(shí)，若用戶只關(guān)心獲取相位信息而忽略著色或紋理信息，則有可能在圖形處理單元中將紋理環(huán)境模式設(shè)為替代模式。如果想要編碼幾何和著色信息，則可設(shè)置OpenGL的紋理環(huán)境以調(diào)制圖像使得著色和相位信息相結(jié)合。若表面具有自身的紋理，則使用多紋理技術(shù)來生成全圖像是合適的。對(duì)于顏色著色信息，可保留無投影紋理的渲染圖像，作為重構(gòu)幾何形狀的紋理圖像。圖23顯示了全圖像2300，它表示帶有復(fù)雜紋理的幾何體。全圖像是依照如下的過程合成的首先，廣為人知的斯坦福兔子表面被共形參數(shù)化，然后任意的單色位圖被紋理映射于其上，之后彩色正弦條紋使用投影紋理映射著色到兔子上。這兩個(gè)紋理利用多紋理技術(shù)組合在一起，在2302生成幾何表面。具體地，將OpenGL中ARB多紋理擴(kuò)展用于NvidiaGeForce6800圖形卡上，設(shè)置紋理環(huán)境模式來調(diào)制，混合表面紋理顏色和條紋圖。圖像2302是平面著色的，可以看出平面三角形。相應(yīng)的24位全圖像在2300顯示。在2304，只示出相位圖的圖像。在圖像2306上，從全圖像重構(gòu)紋理。從全圖像重構(gòu)的幾何形狀在2308顯示，且平面三角形被恢復(fù)。為得到更加真實(shí)的物體表面渲染效果，可使用彩色紋理映射方法。沒有條紋的彩色圖像可通過將彩色相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)定為一個(gè)投影通道時(shí)間，或2.78毫秒以捕捉低反差圖像來獲得。若黑白相機(jī)和彩色相機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)相同，則彩色和黑白相機(jī)之間的關(guān)系可通過校準(zhǔn)建立。因?yàn)榭蓽y(cè)量物體的絕對(duì)坐標(biāo)，所以在獲得彩色和黑白相機(jī)之間的關(guān)系后可得到被測(cè)物體相對(duì)于彩色相機(jī)的坐標(biāo)。在絕對(duì)坐標(biāo)已知之后，可得到彩色圖像和三維物體點(diǎn)之間的關(guān)系；因此三維物體上每一點(diǎn)的顏色都可通過使用常規(guī)的鏡頭成像公式計(jì)算。設(shè)彩色相機(jī)成像矩陣是P，它是透視投影矩陣，包括相機(jī)的內(nèi)在和外在參數(shù)。矩陣尸能夠通過普通的相機(jī)校準(zhǔn)得到。對(duì)每個(gè)三維點(diǎn)1=[^};,z,1]T，相應(yīng)的彩色圖像點(diǎn)是/c(x,_y)=PZ,其是該3維點(diǎn)的相應(yīng)色彩信息。應(yīng)當(dāng)注意，通過求三幅相移條紋圖的平均值，可獲得紋理圖的黑白圖像。因?yàn)檫@種方法不需要拍攝附加的黑白或彩色，所以它是最快的方法。渲染全圖像全圖像表示同一圖像內(nèi)的著色和幾何形狀。也就是說，每一像素都編碼相位和幅值信息。當(dāng)使用常規(guī)的24-比特格式時(shí)，兩個(gè)8比特部分可儲(chǔ)存例如相位數(shù)據(jù)，而1個(gè)8比特部分可儲(chǔ)存著色數(shù)據(jù)。近期圖形硬件的開發(fā)使得直接高效地渲染全圖像變得可行一即完全在計(jì)算機(jī)上中使用虛擬投影儀和虛擬相機(jī)，使用可編程管線進(jìn)行。為了渲染目的，全圖像可具有取代傳統(tǒng)網(wǎng)格的潛力，因而簡(jiǎn)化了GPU的體系結(jié)構(gòu)。從全圖像重構(gòu)表面為了表面重構(gòu)，全圖像提出圖像質(zhì)量的計(jì)算要求和圖形處理器的能力之間的良好匹配，并且與只使用通用CPU相比，它帶來了顯著的加速。合適的表面重構(gòu)算法需要高強(qiáng)度和準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算，具有完整的網(wǎng)格圖形，并且滿足SIMD語義。因此，這種重構(gòu)算法可被高性能圖形處理器(GPU)有效地加快，例如nVIDIAGeForce6800和ATIRadeon9800,它們具有靈活的SIMD編程接口與強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力。如圖24所示，表面重構(gòu)可被映射到圖形硬件。初始全圖像2402和2404被首先作為紋理從CPU上傳到GPU。然后，一串GPU計(jì)算密集內(nèi)核(像素著色器)被依次應(yīng)用于初始和中間產(chǎn)生的紋理。每個(gè)像素著色器(并行)處理每個(gè)紋元(紋理單元)并產(chǎn)生一個(gè)中間紋理的紋理單元，以用于下一處理階段。首先，分別從全圖像2402和2404中得到相位2414和2416。接下來，相位解包裹2418產(chǎn)生圖像2408，然后在2420幾何形狀被抽取出來以生成幾何圖像2410。像素著色器內(nèi)的法向量?jī)?nèi)核生成法向量圖2412。包括幾何圖像2410、著色圖像2408、和法向量圖2412的結(jié)果駐留在GPU的存儲(chǔ)器中(未示出)以供進(jìn)一步渲染。這種表面重構(gòu)具有本地存儲(chǔ)器存取的具吸引力特性。像素著色器不需存取任何相鄰紋理元，法向量?jī)?nèi)核除外，它采用8個(gè)最接近的鄰近紋理元素的規(guī)則存儲(chǔ)器存取模式。因?yàn)榱骶€化硬件可以有效地隱藏記憶體存取等待時(shí)間，所以相比于基于CPU的方法，這種基于GPU的簡(jiǎn)單而規(guī)則的存儲(chǔ)器存取方法是相對(duì)低廉的。該全圖像渲染是有效率的，部分是因?yàn)樗⒉恍枰獜腉PU將重構(gòu)圖像讀回到CPU，從而克服了GPU加速系統(tǒng)中共同的性能瓶頸。為了渲染所恢復(fù)表面，該系統(tǒng)將虛擬的柵格網(wǎng)2406發(fā)送至GPU，它具有和物體表面相同的連接性，但卻假造幾何和著色信息。指派給每個(gè)輸入頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)編碼其網(wǎng)格索引。每一頂點(diǎn)的真正的幾何位置、所著顏色、和法向量通過預(yù)分配的紋理坐標(biāo)從GPU存儲(chǔ)器中取得，然后經(jīng)變換位置和光照顏色被加以計(jì)算。圖像24、26A-E顯示了示例性渲染結(jié)果。在實(shí)踐中，渲染可通過繪制所索引圖元來進(jìn)一步優(yōu)化，這可以減少一些程序的執(zhí)行次數(shù)。對(duì)全圖像的高效的基于GPU的表面重構(gòu)和渲染顯示，通過用圖像表示表面的幾何形狀、著色和法向量的信息，出于渲染目的全圖像可被用來替代三角形網(wǎng)格。此外，全圖像有潛力簡(jiǎn)化現(xiàn)代圖形硬件的體系結(jié)構(gòu)。幾何處理通過使用全圖像表示，許多幾何處理任務(wù)可以通過可有效地使用圖形硬件實(shí)現(xiàn)的圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閹缀涡螤畋幌辔痪幋a，所以用戶可以直接對(duì)相位信息進(jìn)行操縱。全圖像的相位可以用相位圖一^'w描述，即從平面W到單位圓W的映射，cr:i2—&,。(^力=^(^。兩個(gè)相位圖可通過逐個(gè)像素的乘法或除法加以復(fù)合。因而相位圖的幾何形成一個(gè)組通過復(fù)合兩表面的相位圖，通過GPU很容易產(chǎn)生壓印和雕刻的效果。舉例來說，由16位圖像表示相位圖，紅色和藍(lán)色通道由下式給出r(x,力=128cosy(x,力+128,Z)(x,力=128siny(x,力+128.然后，經(jīng)包裹相位^(x,力能被簡(jiǎn)單地算出""rO,力-128壓印和雕刻壓印通過兩個(gè)相位圖相乘來實(shí)現(xiàn)。圖25和26顯示了一些壓印和雕刻的例子。特別地，圖25顯示相位圖2500，幾何壓印2502，相位差圖像2504，和幾何雕刻2506的示例。圖26包含2602-2608處壓印的例子.以下可以表示為壓印或雕刻過程的步驟的示例1.為兩個(gè)表面選擇相機(jī)的位置和縮放因子。2.用雙波長(zhǎng)渲染兩個(gè)表面的全圖像。3.計(jì)算每個(gè)全圖像的經(jīng)包裹相位。4.將經(jīng)包裹相位轉(zhuǎn)化成相位圖，將不同表面的相應(yīng)相位圖相乘以生成組合表面。5.用以上描述的雙波長(zhǎng)處理計(jì)算組合表面的經(jīng)解包裹相位。6.將經(jīng)解包裹相位轉(zhuǎn)化成幾何表面。所有這類操作都是逐個(gè)像素地進(jìn)行的，而不需要來自相鄰像素的信息。因此，整個(gè)算法可以由GPU實(shí)現(xiàn)。幾何紋理提取在幾何建模中紋理是重要的。雖然很容易捕捉圖像紋理，但是一般難以捕捉幾何紋理。從真實(shí)的具有復(fù)雜輪廓的表面上提取幾何紋理，并將該紋理轉(zhuǎn)移到幾何模型上是合乎需要的。通過使用全圖像，幾何紋理可以很容易地從實(shí)物中提取。作為一個(gè)例子，可掃描和幾何重構(gòu)復(fù)雜表面。通過使用常規(guī)的幾何平滑技術(shù)，幾何紋理可以從表面上去除。然后，通過從原來表面上減去光滑表面，幾何紋理就可被提取出來。圖27說明了這個(gè)過程，它顯示了初始的全圖像2702,初始的幾何圖像2708,光滑幾何形狀的全圖像2706，光滑的幾何圖像2708，提取紋理的全圖像2710，和提取紋理2712。變形測(cè)量檢測(cè)和測(cè)量表面的并行以建模人類的面部表情和肌肉運(yùn)動(dòng)是有用的。圖22顯示了有趣的全圖像的應(yīng)用一"無臉微笑"。捕捉具有不同表情的人臉。選取其中兩幀，一幀臉部是平靜的(顯示在2802),另一幀帶有微笑(顯示在2804)。通過將它們分別轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的相位圖2806和2808，相位差圖像(顯示于2810)，并重構(gòu)幾何形狀，就可得到"無臉微笑"，如在2812所示。從變形相位圖中，可以清晰看出，嘴唇變化最為劇烈，面頰肌肉變化中等，前額和鼻梁沒有變化。因此，一種新穎的稱為全圖像的幾何物體表示方法被加以介紹。它編碼單幅圖像中的幅值和相位信息。與常規(guī)的幾何圖像和深度圖像相比，全圖像具有高得多的幾何精度，并且可以用普通的圖像格式加以存儲(chǔ)和傳輸。全圖像可以使用常規(guī)的圖形管線合成或從現(xiàn)實(shí)生活中用簡(jiǎn)單的硬件以合理的速度捕捉。從全圖像重構(gòu)表面的算法是簡(jiǎn)單的，能夠用現(xiàn)成的圖形硬件實(shí)現(xiàn)。全圖像可以用GPU直接有效地渲染?；谌珗D像的渲染不需要網(wǎng)格，且有可能簡(jiǎn)化GPU的體系結(jié)構(gòu)。若無方法來儲(chǔ)存圖像表示，則捕捉相位信息來表示三維表面的方法的價(jià)值將是有限的。幸運(yùn)的是，存在著一種方便和有效的方式，來表示和儲(chǔ)存相位和幅值的信息。與相應(yīng)的網(wǎng)格相比，它需要較少的存儲(chǔ)器，圖像很容易處理和操縱。這種表示方法被稱為"全圖像"。全圖像基于波動(dòng)光學(xué)的原理。無論是完全由計(jì)算機(jī)生成(即虛擬)或由相機(jī)捕捉(此后分別表示為計(jì)算機(jī)一相機(jī)和光學(xué)—相機(jī))，它們都繼承了一些來自光學(xué)領(lǐng)域的缺陷。但是，光學(xué)一相機(jī)系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)一相機(jī)系統(tǒng)內(nèi)所不存在的限制。后者，作為光學(xué)一相機(jī)系統(tǒng)的虛擬模擬有時(shí)能夠模擬一些真實(shí)物理世界所不能達(dá)到的狀況。全圖像具有如下的限制1.遮;^_全圖像只能表示表面可見的部分。為了表示整個(gè)表面，需要多幅全圖像。2.//辨#^煮^-對(duì)于三維數(shù)據(jù)采集，黑暗或有光澤的材料不能被準(zhǔn)確地捕捉。已參照附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的其他實(shí)施例由于不同的變化、修改和改進(jìn)也是有可能的。這些變化、修改和改進(jìn)旨在成為本公開的一部分，并且涵蓋在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前面的描述和附圖僅用作示例。鑒于上述內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)理解，條紋圖可以用與數(shù)字技術(shù)不同的方法并使用不含DMD的裝置產(chǎn)生。例如，可使用傳統(tǒng)的機(jī)械光柵方法。也可釆用各種不同的光柵方法。同時(shí)，液晶顯示(LCD)投影儀可以被用來產(chǎn)生條紋圖并提供投影儀的功能。與相機(jī)分立或共置的液晶光柵(LCG)和閃光燈可用來代替信號(hào)發(fā)生器和投影儀。掃描激光器能被用來生成條紋圖。因此，可能和相機(jī)裝在一起的帶調(diào)制器的激光器也可以替代信號(hào)發(fā)生器和投影儀。另外，條紋圖像能夠用各種傳統(tǒng)的干涉方法生成。隨著技術(shù)的進(jìn)步，更快的相機(jī)可以用來捕捉反射條紋圖像。本發(fā)明的實(shí)施例并不僅限于使用CCD相機(jī)。因而，可使用CMOS相機(jī)，掃描儀，或不同的捕捉設(shè)備。兩臺(tái)或更多臺(tái)相機(jī)或多對(duì)相機(jī)可被用來捕捉寬泛區(qū)域，如上文所述。也可采用不同的投影儀。可使用不同的校準(zhǔn)技術(shù)。另外，相機(jī)和投影儀之間的同步可以通過各種方法實(shí)現(xiàn)。例如，相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)可通過探測(cè)投影機(jī)的觸發(fā)信號(hào)來同步。在附圖中示出的本發(fā)明的實(shí)施例采用了條紋輪廓為正弦的2+l相移算法。應(yīng)當(dāng)理解，條紋輪廓可以有不同的形狀，比如，梯形，三角形和其他形狀。兩幅條紋圖被用于所示實(shí)施例中。然而，也可使用大量的條紋圖像。同時(shí)，相移和條紋周期可以在同一應(yīng)用中和不同應(yīng)用之間變化。另外，均勻的條紋圖像在本發(fā)明的不同實(shí)施例中可具有不同于平均值的強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，可能沒有均勻的條紋投影。被編碼以幫助確定絕對(duì)坐標(biāo)的標(biāo)記可以有不同的形狀，例如，線，圓，或橢圓。多個(gè)標(biāo)記可被同時(shí)用各光照?qǐng)D投影。同時(shí)，標(biāo)記可由附加設(shè)備產(chǎn)生(例如，激光指示器)。多級(jí)質(zhì)量引導(dǎo)的相位解包裹算法將質(zhì)量圖分成多個(gè)級(jí)別，并用高效方法解包裹每一級(jí)別。質(zhì)量圖可以有各種性質(zhì)，并不局限于所說明的那一種。例如，數(shù)據(jù)調(diào)制圖，包裹相位圖的第一梯度和方差可被用作為質(zhì)量圖。類似地，快速相位解包裹算法并不局限于在所示實(shí)施例中介紹和解釋的掃描線算法。因此，其他的快速算法，例如，洪水填充算法有可能被采用。隨著GPU技術(shù)的提高，內(nèi)嵌于圖形卡上的更強(qiáng)大的GPU著色器將可用。在本發(fā)明的實(shí)施例中，GPU頂點(diǎn)著色器被用來輔助計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)。應(yīng)當(dāng)理解，其他可能性依然存在。于是，在GPU中，像素著色器、幾何著色器、或其他類型的著色器可以被用來實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)著色器的功能。應(yīng)當(dāng)理解，絕對(duì)坐標(biāo)能可任選地儲(chǔ)存在GPU的存儲(chǔ)器中以備將來之需。另外，隨著開發(fā)先進(jìn)CPU技術(shù)的加快，CPU能夠變得足夠強(qiáng)有力來實(shí)現(xiàn)實(shí)施例中所有的GPU運(yùn)算。還應(yīng)該明白，本文中的用字和所使用的術(shù)語是為了進(jìn)行說明而不應(yīng)該被視為限制。使用"包括"，"構(gòu)成"或"具有"，"包含"，"涉及"和各種變體在本文中就是要包括其后所列的項(xiàng)目，與之等效的，以及附加的項(xiàng)目。權(quán)利要求1.一種確定物體的三維表面的絕對(duì)坐標(biāo)的方法，所述方法包括將兩個(gè)經(jīng)相移的光照?qǐng)D投影到所述物體的表面上，其中每個(gè)光照?qǐng)D編碼一標(biāo)記；捕捉來自所述物體的表面的所述光照?qǐng)D的反射圖像；組合所捕捉圖像以生成包裹相位圖像；通過解包裹所述包裹相位圖像生成相對(duì)解包裹相位圖像；從所述相對(duì)解包裹相位圖像生成絕對(duì)相位圖像；以及根據(jù)所述絕對(duì)相位圖像確定所述物體的表面的絕對(duì)坐標(biāo)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，捕捉所述光照?qǐng)D的反射圖像包括以黑白模式捕捉所述圖像。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，捕捉所述光照?qǐng)D的反射圖像包括以黑白模式和彩色模式捕捉所述圖像。4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括投影一均勻光照?qǐng)D，其中所述物體的表面的黑白紋理是使用所述均勻光照?qǐng)D的來自所述物體表面的反射圖像在確定所述物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)捕捉的。5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括投影一均勻光照?qǐng)D，其中所述物體的表面的彩色紋理是使用以彩色模式捕捉的所述均勻光照?qǐng)D的來自所述物體表面的反射圖像在確定所述物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)捕捉的。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，捕捉所述黑白紋理包括從所述均勻光照?qǐng)D的所捕捉圖像中去除所述經(jīng)編碼標(biāo)記。7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，捕捉所述彩色紋理包括從所述均勻光照?qǐng)D的所捕捉圖像中去除所述經(jīng)編碼標(biāo)記。8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述光照?qǐng)D是彩色編碼的。9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述光照?qǐng)D是彩色編碼的。10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，相位解包裹包括生成一質(zhì)量分析圖；將所述質(zhì)量分析圖劃分成多個(gè)質(zhì)量級(jí)別；以及以質(zhì)量遞降的順序，分別對(duì)每個(gè)所述質(zhì)量級(jí)別應(yīng)用相位解包裹算法。11.如權(quán)利要求io所述的方法，其特征在于，生成所述質(zhì)量分析圖包括生成所述相位包裹圖像的梯度圖。12.如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，生成所述質(zhì)量分析圖包括生成所述相位包裹圖像的方差圖。13.如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述相位解包裹算法是一種快速掃描行相位解包裹算法。14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D相隔約90度相移。15.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，生成所述兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D包括僅生成兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D。16.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從相對(duì)解包裹相位圖像生成絕對(duì)相位圖包括檢測(cè)所述編碼標(biāo)識(shí)的相位、以及根據(jù)所檢測(cè)到的經(jīng)編碼標(biāo)記的相位調(diào)節(jié)所述相對(duì)解包裹相位圖像。17.—種確定物體的三維表面的絕對(duì)坐標(biāo)的裝置，所述裝置包括至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器，用于生成兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D，其中每個(gè)光照?qǐng)D編碼一標(biāo)記；至少一個(gè)投影設(shè)備，用于將所述光照?qǐng)D投影到所述物體的表面上；至少一個(gè)成像設(shè)備，用于捕捉來自所述物體的表面的所述光照?qǐng)D的反射圖像；以及至少一個(gè)圖像處理器，用于因變于所述標(biāo)記的經(jīng)解碼相位確定所述物體的表面的絕對(duì)坐標(biāo)。18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)投影設(shè)備與所述至少一個(gè)成像設(shè)備同步。19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器與所述至少一個(gè)圖像處理器是一體化單元的一部分。20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)圖像處理器被調(diào)整和配置成在處理所捕捉的圖像時(shí)組合所捕捉圖像以生成包裹相位圖像；通過解包裹所述包裹相位圖像生成相對(duì)解包裹相位圖像；從所述相對(duì)解包裹相位圖像生成絕對(duì)相位圖像；以及根據(jù)所述絕對(duì)相位圖像確定所述物體的表面的絕對(duì)坐標(biāo)。21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)光照?qǐng)D發(fā)生器生成一均勻光照?qǐng)D，所述至少一個(gè)投影設(shè)備投影所述均勻光照?qǐng)D，所述至少一個(gè)成像設(shè)備捕捉來自所述物體表面的所述均勻光照?qǐng)D的反射圖像。22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)成像裝置包括至少一個(gè)以黑白模式捕捉圖像的成像設(shè)備和至少一個(gè)以彩色模式捕捉圖像的成像設(shè)備。23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)以黑白模式捕捉圖像的成像設(shè)備和所述至少一個(gè)以彩色模式捕捉圖像的成像設(shè)備獨(dú)立并且同步地運(yùn)行。24.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述光照?qǐng)D是彩色編碼圖案，而所述光照?qǐng)D的反射圖像是以黑白模式捕捉的。25.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述光照?qǐng)D是彩色編碼圖案，而所述光照?qǐng)D的反射圖像是以黑白模式和彩色模式捕捉的。26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述物體的表面的黑白紋理是使用所述均勻光照?qǐng)D的反射圖像在確定所述物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)捕捉的。27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述物體的表面的彩色紋理是使用所述均勻光照?qǐng)D的反射圖像在確定所述物體表面的絕對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)捕捉的，其中所述圖像是以彩色模式捕捉的。28.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，捕捉所述黑白紋理包括從所述均勻光照?qǐng)D的圖像中去除所述經(jīng)編碼標(biāo)記。29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，捕捉所述彩色紋理包括從所述均勻光照?qǐng)D的所捕捉圖像中去除所述經(jīng)編碼標(biāo)記。30.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)圖像處理器被配置和安排成在相位解包裹時(shí)生成一質(zhì)量分析圖；將所述質(zhì)量分析圖劃分成多個(gè)質(zhì)量級(jí)別；以及以所述質(zhì)量級(jí)別的數(shù)據(jù)點(diǎn)的質(zhì)量遞降的順序，分別對(duì)每個(gè)所述質(zhì)量級(jí)別應(yīng)用相位解包裹算法。31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)圖像處理器在生成所述質(zhì)量分析圖時(shí)包括生成所述相位包裹圖像的梯度圖。32.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)圖像處理器在生成所述質(zhì)量分析圖時(shí)包括生成所述相位包裹圖像的方差圖。33.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述相位解包裹算法是一種快速掃描行相位解包裹算法。34.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D相隔約90度相移。35.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，從所述相對(duì)解包裹相位圖像生成所述絕對(duì)相位圖像包括檢測(cè)所述編碼標(biāo)識(shí)的相位、以及根據(jù)所檢測(cè)到的經(jīng)編碼標(biāo)記的相位調(diào)節(jié)所述相對(duì)解包裹相位圖像。36.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，生成所述兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D包括僅生成兩個(gè)經(jīng)相移光照?qǐng)D。37.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，根據(jù)所述絕對(duì)相位圖像確定所述物體的表面的絕對(duì)坐標(biāo)由圖形處理單元執(zhí)行。38.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，從所述相對(duì)解包裹相位圖像生成所述絕對(duì)相位圖像包括檢測(cè)所述經(jīng)編碼標(biāo)記的相位，以及根據(jù)所檢測(cè)到的經(jīng)編碼標(biāo)記的相位調(diào)節(jié)所述相對(duì)解包裹相位圖像。39.—種捕捉3D物體圖像的方法，所述圖像編碼所述物體的至少一部分的表面幾何形狀，包括1.將多個(gè)條紋圖投影到所述物體上；2.捕捉來自所述物體的所述條紋圖的反射中的相位變化；3.將一均勻圖像投影到所述物體上；4.捕捉來自所述物體的所述均勻圖像的反射；以及5.在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合所捕捉的相位變化和所捕捉的均勻圖像反射，由此構(gòu)成所述物體的全圖像表示。40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所組合的相位變化和均勻圖像反射被映射到相應(yīng)色場(chǎng)顯示。41.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所組合的相位變化和均勻圖像反射被儲(chǔ)存為三種彩色信號(hào)的值。42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述值被儲(chǔ)存為每個(gè)像素三個(gè)8位值。43.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)所捕捉的相位變化進(jìn)行相位解包裹，所述相位解包裹包括a.以第一相對(duì)較低的空間頻率將多個(gè)條紋圖投影在所述物體上，并根據(jù)其反射重構(gòu)所述物體的幾何形狀；b.以第二相對(duì)較高的空間頻率將多個(gè)條紋圖投影在所述物體上，并根據(jù)其反射重構(gòu)所述物體的幾何形狀，所述重構(gòu)包括相位含糊的像素；以及c.根據(jù)所重構(gòu)幾何形狀中相應(yīng)像素的相位值從所述第一相對(duì)較低的空間頻率中去除所述相位含糊度。44.一種產(chǎn)生編碼虛擬3D物體的編碼所述物體的至少一部分的表面幾何形狀的表示的方法，包括1.如果多個(gè)條紋圖的每一個(gè)和均勻圖分別照耀在所述物體的物理對(duì)應(yīng)物上，則計(jì)算會(huì)在入射和反射圖像之間產(chǎn)生的相移和幅值；以及2.在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合所述計(jì)算出的相移和幅值，由此形成所述物體的全圖像表示。45.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所組合的相移和幅值被儲(chǔ)存為三種色彩信號(hào)的值。46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，所述值被儲(chǔ)存為每個(gè)像素三個(gè)8位值。47.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)所捕捉的相位變化進(jìn)行相位解包裹，所述相位解包裹包括a.如果多個(gè)條紋圖的每一個(gè)以第一相對(duì)較低的空間頻率照耀在所述物體的物理對(duì)應(yīng)物上，則計(jì)算會(huì)在入射和反射圖像之間產(chǎn)生的相移，并根據(jù)所述相移重構(gòu)所述物體的幾何形狀；b.如果多個(gè)條紋圖的每一個(gè)以第二相對(duì)較高的空間頻率照耀在所述物體的物理對(duì)應(yīng)物上，則計(jì)算會(huì)在入射和反射圖像之間產(chǎn)生的相移，并根據(jù)所述相移重構(gòu)所述物體的幾何形狀，所述重構(gòu)包括相位含糊的像素；以及C.根據(jù)所重構(gòu)幾何形狀中相應(yīng)像素的相位值從所述第一相對(duì)較低的空間頻率中去除所述相位含糊度。48.—種3D物體的表面幾何形狀的表示的記錄，包括其上儲(chǔ)存有以下內(nèi)容的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)對(duì)于每個(gè)像素，表示所捕捉到或計(jì)算出的因第一條紋圖投影到所述物體上并從其中反射所產(chǎn)生的相位變化的第一值，表示所捕捉到或計(jì)算出的因第二經(jīng)相移的條紋圖投影到所述物體上并從其中反射所產(chǎn)生的相位變化的第二值，以及表示所捕捉到或計(jì)算出的因均勻條紋圖投影到所述物體上并從其中反射所產(chǎn)生的幅值的第三值。全文摘要一種用于捕捉3D物體(100)的圖像的方法和相關(guān)聯(lián)裝置，該圖像編碼所述物體的至少一部分的表面幾何形狀，包括1.將多個(gè)條紋圖(312A、314A)投影(304)到該物體上；2.捕捉(306)來自該物體的條紋圖(312B、314B)的反射中的相位變化；3.將一均勻圖像(310A)投影到該物體上；4.捕捉來自該物體的均勻圖像(310B)的反射；以及5.在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上組合(310)所捕捉的相位變化和所捕捉的均勻圖像反射，由此構(gòu)成該物體的全圖像表示。文檔編號(hào)G01B11/24GK101466998SQ200680050647公開日2009年6月24日申請(qǐng)日期2006年11月9日優(yōu)先權(quán)日2005年11月9日發(fā)明者D·魯瓦耶,丘成桐,松張,王雅琳,顧險(xiǎn)峰申請(qǐng)人:幾何信息學(xué)股份有限公司