專利名稱：三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)采樣技術(shù)，具體涉及一種三維非接觸高精度、無誤差傳遞的三維測量技術(shù)、三維信息獲取與重建方法。
背景技術(shù)：
數(shù)量眾多的光學(xué)非接觸三維信息獲取技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，其中結(jié)構(gòu)光技術(shù)由于其主動(dòng)測量原理，采樣密度可調(diào)，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于逆向工程、考古、醫(yī)學(xué)、服飾、人體測量等需要恢復(fù)物體的三維形狀的領(lǐng)域中。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是利用普通或者激光作為光源，將已知的圖案投射到被測物的表面，根據(jù)通過成像裝置從另一角度獲取的圖像，利用三角原理獲得采樣點(diǎn)的三維信息。結(jié)構(gòu)光技術(shù)根據(jù)投影圖案的不同可以分為單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、單線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光和編碼結(jié)構(gòu)光等。其中單點(diǎn)和單線結(jié)構(gòu)光由于其需要高精度的掃面機(jī)械及高精度的定位裝置，已經(jīng)不能引起廣大研究者的興趣。多線結(jié)構(gòu)光由于使用時(shí)必須確定條紋對(duì)應(yīng)的問題，也不適用于實(shí)際測量中。但編碼結(jié)構(gòu)光由于其條紋次序明確，不需考慮其他幾何約束的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)向被測物投射編碼圖案，測量速度由于不需掃描裝置而被大大提高了。在通過預(yù)先標(biāo)定明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，確定被測物采樣點(diǎn)并將其與條紋圖像、編碼圖案對(duì)應(yīng)起來，是編碼結(jié)構(gòu)光目前主要的研究問題。編碼結(jié)構(gòu)光根據(jù)編碼方法可分為時(shí)間編碼、空間編碼和直接編碼、三者各具優(yōu)點(diǎn)。 相對(duì)于空間編碼和直接編碼，時(shí)間編碼具有容易識(shí)別、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)而具有廣闊的應(yīng)用前景。時(shí)間編碼又可分為數(shù)字編碼和連續(xù)編碼兩種技術(shù)，連續(xù)編碼方法具有測量空間編碼連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多研究者所重視。目前連續(xù)編碼方法主要分為正弦相移編碼法和強(qiáng)度比編碼法。正弦相移編碼法具有采樣密度高，在單獨(dú)一個(gè)周期內(nèi)，相位值連續(xù)且唯一，但是在多周編碼中存在著周期數(shù)判定不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生多義性，且該技術(shù)涉及大量的正切及反正切計(jì)算，計(jì)算量大，這些缺點(diǎn)限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。強(qiáng)度比法恰恰彌補(bǔ)了正弦相移法計(jì)算量大的缺點(diǎn)。該技術(shù)利用線性變化光照下每一像素值與持續(xù)光照下像素值的比率，即強(qiáng)度比，替代正弦相位法中的相位值，具有速度快，計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)不可避免的存在著解包裹時(shí)，采樣點(diǎn)不唯一的問題。大衍求一術(shù)被引入到連續(xù)正弦編碼結(jié)構(gòu)光解碼中，目前編碼方法采用兩個(gè)編碼頻率對(duì)被測物進(jìn)行采樣，解碼時(shí)除了求解同余方程外，還需要查詢事先標(biāo)定好的誤差表進(jìn)行修正，這類技術(shù)的采樣精度沒有明顯的提高。三周期正弦編碼法也被用來進(jìn)行正弦相移的解包裹算法，但是該方法不可避免正弦相移方法中計(jì)算量大，且投射編碼圖案眾多的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高相移編碼結(jié)構(gòu)光測量范圍，減小測量誤差，提高測量精度，克服被測物表面反射率不一致和環(huán)境光對(duì)測量影響的三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取方法。
本發(fā)明的目的通過以下的步驟實(shí)現(xiàn)(1)選擇編碼周期，制作編碼圖案。根據(jù)投射源及測量范圍確定三個(gè)不同的編碼周期。 編碼圖案是由投射源投射到被測物體表面的主動(dòng)信息，是由在編碼圖案上，按X和Y方向順序排列的編碼點(diǎn)的灰度級(jí)構(gòu)成。根據(jù)投射源與條紋圖像獲取裝的幾何位置確定編碼方向， 在另一個(gè)方向上是編碼方向上編碼點(diǎn)灰度級(jí)的重復(fù)。編碼周期是指編碼點(diǎn)的灰度級(jí)從某一個(gè)灰度級(jí)經(jīng)歷過灰度級(jí)最高、灰度級(jí)最低，且將此灰度級(jí)重復(fù)三次時(shí)，沿編碼方向上編碼點(diǎn)的總數(shù)。在一個(gè)周期內(nèi)，灰度的編碼是線性的，并且關(guān)于1/2周期點(diǎn)對(duì)稱。為了提高編碼圖像的解碼時(shí)抗干擾能力和測量精度，對(duì)于一個(gè)編碼周期，制作三幅沿著編碼方向依次僅移動(dòng)1/3周期的編碼圖案，總計(jì)9幅編碼圖案。
將某一個(gè)編碼周期中的一幅編碼圖案經(jīng)由投射源投影到被測物體表面，平面的編碼圖案受到被測物體表面三維信息的調(diào)制，產(chǎn)生變形，利用條紋圖像獲取裝置，獲取包含有被測物體及變形編碼圖案的條紋圖像。將其他2幅根據(jù)同一個(gè)編碼周期，但沿編碼方向依次移動(dòng)1/3周期的編碼圖案經(jīng)由投射源投射到被測物體表面，獲取條紋圖像。再將其他2 個(gè)編碼周期的共計(jì)6幅編碼圖案依次投射到被測物體表面，獲取不同編碼圖案經(jīng)由被測物體表面改變的6幅條紋圖像。
對(duì)同一個(gè)編碼周期的3幅條紋圖像同一個(gè)采樣點(diǎn)的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到采樣點(diǎn)在此編碼周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于編碼圖案的相對(duì)編碼點(diǎn)，得到采樣點(diǎn)在該周期內(nèi)的余數(shù)方程。針對(duì)同一采樣點(diǎn)在其余2個(gè)不同編碼周期的其余6幅條紋圖像進(jìn)行相同處理，總計(jì)得到 3個(gè)余數(shù)方程，聯(lián)立得到采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)絕對(duì)編碼點(diǎn)的同余方程，采用大衍求一術(shù)確定同余方程的乘率，進(jìn)而等到該同余方程的解，即采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)編碼點(diǎn)，進(jìn)而獲得采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影角度。
在確定采樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的投影角度后，還需根據(jù)投射源與條紋圖像獲取裝置的幾何關(guān)系和三角原理確定采樣點(diǎn)的三維信息。
本發(fā)明有以下技術(shù)效果1.本發(fā)明方法通過選擇三個(gè)不同的編碼周期，在保留相位編碼方法對(duì)投影角連續(xù)劃分的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，對(duì)相位編碼法的測量范圍拓展了第三個(gè)編碼周期倍。
本發(fā)明方法在相同測量范圍內(nèi)，可以選擇三種周期較小的對(duì)稱灰度線性編碼，這樣減少了在同一幅值范圍內(nèi)灰度分布的點(diǎn)數(shù)，在同等情況下，與大周期的灰度編碼相比，灰度分布的減少更加明顯，出現(xiàn)誤差的可能性大為降低。
本發(fā)明方法需要投射9幅編碼圖案，有效地減少了投射圖案的數(shù)量，提高了三維信息獲取的速度。
本發(fā)明方法對(duì)同一個(gè)編碼周期，投射三幅移動(dòng)1/3周期的編碼圖案，可以提高抗干擾能力，同時(shí)減少了環(huán)境光照和被測物表面反射系數(shù)不一致對(duì)三維信息獲取結(jié)果的影響。
本發(fā)明方法采用編碼點(diǎn)作為確定投影角的中間變量，可以減少計(jì)算量，進(jìn)一步提高了三維信息獲取的速度。
本發(fā)明方法在解碼時(shí)通過第三個(gè)編碼周期的引入，擴(kuò)大了絕對(duì)編碼點(diǎn)的表示范圍，與兩個(gè)編碼周期的相位方法相比將投影角進(jìn)一步細(xì)分了。本發(fā)明方法在解碼時(shí)，不依靠條紋圖像中采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)像點(diǎn)周圍的像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 僅僅依靠本身的灰度信息，從原理上截?cái)嗔苏`差傳遞的可能，避免了累計(jì)大誤差的出現(xiàn)。本發(fā)明提出的三個(gè)編碼周期對(duì)稱線性灰度編碼解碼技術(shù)即可解決投影角連續(xù)劃分的問題，又可以提高測量準(zhǔn)確度和采樣密度。


圖1為基于三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取技術(shù)的實(shí)施流程框圖2為對(duì)稱線性灰度編碼排列序號(hào)； 圖3為對(duì)稱線性灰度編碼的三個(gè)編碼周期灰度示意圖； 圖4為三個(gè)編碼周期對(duì)稱線性灰度編碼投射圖案； 圖5為解碼后對(duì)應(yīng)三個(gè)周期的相對(duì)編碼點(diǎn)； 圖6為求解同于方程后確定的絕對(duì)編碼點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
本發(fā)明方法在實(shí)施中需要投射源，條紋圖像獲取裝置和用于控制及計(jì)算的計(jì)算機(jī)。用來測量被測物表面被采樣點(diǎn)的三維信息。其中被采樣點(diǎn)的三維信息包括，在以投射源投射光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)中心為原點(diǎn)，以原點(diǎn)與條紋圖像獲取裝置照相光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)中心連線方向?yàn)?X軸方向，以投射源投射光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向?yàn)閆軸方向的左手空間坐標(biāo)系(世界坐標(biāo)系) 中，被采樣點(diǎn)距離三個(gè)坐標(biāo)軸的距離x，y，z，或者根據(jù)(x，y，z)及必要的空間解析幾何計(jì)算方法，可以獲取的諸如被采樣點(diǎn)處得法向量、曲率或結(jié)合其他被采樣點(diǎn)可以計(jì)算的被測物表面的諸如彎曲、傾斜、扭曲、翹曲之類的信息。圖1是基于三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取技術(shù)的實(shí)施流程框圖。在使用前需要對(duì)測量系統(tǒng)包括的投射器、條紋圖像獲取裝置和兩者之間的距離進(jìn)行標(biāo)定，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解這一步驟是利用三角法進(jìn)行三維信息獲取的必要步驟。按3個(gè)編碼周期生成對(duì)稱灰度線性編碼，每個(gè)編碼周期各生成沿編碼方向移動(dòng) 1/3周期的編碼圖案，共計(jì)9幅編碼圖案，利用投射器，向被測物投射多幅灰度對(duì)稱線性多頻編碼圖案，雖然此處編碼圖案的生產(chǎn)和編碼圖案的投射是順序描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解可以通過同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)在前1幅編碼圖案投射的時(shí)間內(nèi)生成下1幅編碼圖案，以供下一個(gè)投射時(shí)間使用。通過條紋圖像獲取裝置，采集包含由被測物表面所產(chǎn)生變形的條紋及環(huán)境背景的條紋圖像，由分析、控制和處理裝置對(duì)條紋圖像進(jìn)行預(yù)處理后，確定條紋圖像中采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)于編碼圖案中的相對(duì)編碼點(diǎn)，建立該編碼周期下的余數(shù)方程，3個(gè)編碼周期內(nèi)的3個(gè)余數(shù)方程聯(lián)立得到同余方程組，根據(jù)大衍求一術(shù)確定乘率，得到采樣點(diǎn)在編碼圖案中的絕對(duì)編碼點(diǎn)，確定采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影角度，根據(jù)三角原理獲得采樣點(diǎn)的三維信息。圖2是由計(jì)算機(jī)生成的編碼圖案族中某一個(gè)編碼周期線性灰度對(duì)稱編碼排列的序號(hào)。計(jì)算機(jī)控制投射源，按照設(shè)計(jì)的投射順序和投影時(shí)間，依次將圖2所示的多周期灰度線性編碼的編碼圖案投射到被測物表面。編碼公式如式(1)所示
權(quán)利要求
1. 一種三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取方法，其特征在于步驟包括(1)選擇編碼周期，制作編碼圖案；根據(jù)投射源及測量范圍確定三個(gè)不同的編碼周期； 編碼圖案是由投射源投射到被測物體表面的主動(dòng)信息，是由按X和Y方向順序排列的編碼點(diǎn)的灰度級(jí)構(gòu)成；根據(jù)投射源與條紋圖像獲取裝的幾何關(guān)系確定編碼方向，在另一個(gè)方向上是編碼方向上編碼點(diǎn)灰度級(jí)的重復(fù)；編碼周期是灰度級(jí)從某一個(gè)灰度級(jí)經(jīng)歷過灰度級(jí)最高、灰度級(jí)最低，且將此灰度級(jí)重復(fù)三次時(shí)，沿編碼方向上編碼點(diǎn)的總數(shù)；在一個(gè)周期內(nèi)，灰度的編碼是線性的，并且關(guān)于1/2周期點(diǎn)對(duì)稱；為了提高編碼圖像的解碼時(shí)抗干擾能力和測量精度，對(duì)于一個(gè)編碼周期，制作三幅沿著編碼方向依次移動(dòng)1/3周期的編碼圖案，總計(jì) 9幅編碼圖案；(2)將某一個(gè)編碼周期的一幅編碼圖案經(jīng)由投射源投影到被測物體表面，平面的編碼圖案受到被測物體表面三維信息的調(diào)制，產(chǎn)生變形，利用條紋圖像獲取裝置，獲取包含有被測物體及變形編碼圖案的條紋圖像；將其他2幅根據(jù)同一個(gè)編碼周期，但沿編碼方向依次移動(dòng)1/3周期的編碼圖案經(jīng)由投射源投射到被測物體表面，獲取條紋圖像；再將其他2個(gè)編碼周期的共計(jì)6幅編碼圖案依次投射到被測物體表面，獲取不同編碼圖案經(jīng)由被測物體表面改變的6幅條紋圖像；(3)對(duì)同一個(gè)編碼周期的3幅條紋圖像同一個(gè)采樣點(diǎn)的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到采樣點(diǎn)在此編碼周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于編碼圖案的相對(duì)編碼點(diǎn)，得到采樣點(diǎn)在該頻率內(nèi)的余數(shù)方程；針對(duì)同一采樣點(diǎn)在3個(gè)不同編碼周期的其余6幅條紋圖像進(jìn)行相同處理，總計(jì)得到3個(gè)余數(shù)方程，聯(lián)立得到采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)絕對(duì)編碼點(diǎn)的同余方程，采用大衍求一術(shù)確定同余方程的乘率，進(jìn)而等到該同余方程的解，即采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)編碼點(diǎn)，進(jìn)而獲得采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影角度；(4)在確定采樣點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的投影角度后，根據(jù)投射源與條紋圖像獲取裝置的幾何關(guān)系和三角原理確定采樣點(diǎn)的三維信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三個(gè)灰度對(duì)稱線性編碼周期的采樣點(diǎn)三維信息獲取方法，步驟為:選擇編碼周期，制備9幅由3個(gè)編碼周期不同的灰度線性對(duì)稱相移光柵；將光柵投射到被測物體表面，利用條紋圖像獲取裝置，獲得9幅條紋圖像；計(jì)算得到采樣點(diǎn)在此編碼周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于編碼圖案的相對(duì)編碼點(diǎn)，得到采樣點(diǎn)在該頻率內(nèi)的余數(shù)方程，聯(lián)立余數(shù)方程，得到采樣點(diǎn)在3個(gè)不同編碼周期內(nèi)的同余方程組，采用大衍求一術(shù)確定同余方程組的乘率，進(jìn)而得到方程組的解；確定采樣點(diǎn)的投影角，根據(jù)三角原理確定采樣點(diǎn)的三維信息。本發(fā)明方法克服了傳統(tǒng)雙頻相移三維測量中，誤差大，測量范圍受限，誤差累計(jì)及傳遞的缺點(diǎn)。該方法是一種具有非接觸，高采樣密度，高精度的三維測量技術(shù)。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102519396SQ20111043109
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者于雙, 于曉洋, 于舒春, 吳海濱, 王洋, 陳德運(yùn) 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)