專利名稱：一種高精度多波長三維測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種高精度多波長三維重建方法，更具體的說，本發(fā)明所提供的三維重建方法，可以高精度的實現(xiàn)復雜場景中物體的三維重建。
背景技術：
三維重建方法已廣泛應用于エ業(yè)檢測、逆向工程、人體掃描、文物保護、服裝鞋帽等多個領域，對自由曲面的檢測具有速度快、精度高的優(yōu)勢。按照成像照明方式的不同，光學三維測量技術可分為被動三維測量和主動三維測量兩大類。在主動三維測量技術中，結構光三維測量技術發(fā)展最為迅速，尤其是相位測量輪廓術(Phase MeasuringProf ilometry, PMP),也被稱為相移測量輪廓術(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三維測量產(chǎn)品中常用的測量方法。相位測量方法是向被測物體上投射固定周期的按照三角函數(shù)(正弦或者余弦)規(guī)律變化的光亮度圖像，此光亮度圖像經(jīng)過大于3步的均勻 相移，最好為4-6步均勻相移，向物體投射4-6次光亮度圖像，最終完成ー個周期的相位移動。物體上面的每個點，經(jīng)過相移圖像的投射后，在圖像中會分別獲得幾個不同的亮度值。此亮度值經(jīng)過解相運算，會獲得唯一的相位值。由于目前采集到的圖像的幅面較大，為了提高相位精度，需要向被測物體投射多個周期的相位圖，因此，在一副圖像中，相同相位值會出現(xiàn)多次。為了在圖像中獲得唯一的相位值，格雷碼方法是常用的輔助解相方法。目前出現(xiàn)的三維測量產(chǎn)品，普遍采用格雷碼加相移的光學投射方法，如德國GOM公司的Atos-I型結構光三維測量系統(tǒng)、德國Steinbichler公司的COMMET系列結構光三維測量系統(tǒng)、德國Breuckmann公司的optoTOP系列結構光三維測量系統(tǒng)、北京天遠三維科技有限公司的OKIO-II型三維掃描儀、上海數(shù)造科技有限公司的3DSS綜合型三維掃描儀、天津世紀動カ光電科學儀器有限公司的CPOS三維掃描儀等。由于格雷碼的編碼方法主要靠圖像的ニ值化來進行編碼，因此對于復雜場景中的物體以及物體表面顔色變化較多的情況，一般需要噴涂顯影劑才能實現(xiàn)較好的測量效果。外差多頻方法是暨格雷碼方法之后提出的一種改進的三維重建方法，可以避免格雷碼僅僅使用ニ值化來進行閾值分割的情況。外差多頻的原理是利用三種不同波長的相移光柵，兩兩疊加出一種更長波形的光柵，再利用兩個疊加后的光柵，最終疊加出全場唯一的相位。該方法由于需要進行三次疊加運算，如果背景復雜的情況下，疊加的相位存在很大的誤差，大大影響測量效果。因此，外差多頻方法雖然比格雷碼方法具有一定的優(yōu)越性，但是在環(huán)境光較弱的情況下，會產(chǎn)生很多測量噪聲，三維重建效果較差，因此外差多頻方法仍然不能解決復雜場景情況下的高精度三維重建難題。為了解決復雜場景以及無法噴涂顯影劑的三維重建難題，本發(fā)明設計了ー種新的三維重建方法，無需噴涂顯影劑，就可以高精度的恢復復雜環(huán)境以及顏色變化較多的物體的三維形貌
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種基于相移光柵的多波長三維重建方法，該方法能夠應用于高精度三維測量中，可以彌補格雷碼和外差多頻方法在三維重建過程中存在的缺陷。所述的多波長三維重建系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括用于投射光信號的光源投射裝置，光源投射裝置的分辨率為LKXL。；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的彩色攝像機，圖像分辨率為CKXC。，相機個數(shù)為1-2個；用于放置所述的光源投射裝置和所述的彩色攝像機的掃描平臺；
本發(fā)明所設計的三維重建方法，具體操作步驟如下步驟I :對于分辨率為LkX L。的光源投射裝置，選擇η個波長進行正弦或者余弦光信號的投射，如果相移光柵的投射方向為縱向，貝1J所選的波長中的第一個波長的長度X1 =Le ;如果相移光柵的投射方向為橫向，則所選的波長中的第一個波長的長度為λ I = L。；第ニ個波長的長度為第一個波長長度的1/2，即λ2 = λ ノ2，第三個波長的長度為第二個波長長度的1/2，即λ3= λ 2/2，依次類推，直到第η個波長的長度λ η落入最佳三維重建波長范圍，即15 ^ λ n ^ 30 ；步驟2 :對于每種波長的正弦波，投射超過3步的相移光柵(最好為3-8歩)，通過相移光柵投射在物體上的亮度值，計算該點(X，y)的局部相位值Φ (X，y)；步驟3 :計算第一個波長光信號所對應的全局相位O1U, y)，其值滿足關系式O1(X^y) ^小“ん又パ設置計數(shù)變量匕并設定其初始值!^ =〗；步驟4 :通過下式獲得其全局相位Φ,(Χ，y)C>k(x, y) = 2 π mk(x, y) + <i)k(x, y)(I)其中mた(x,y) = Round(~k-1-^-^ - ^·、Χ,立')k執(zhí)行加I的運算，如果k值小于n，則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5 ；步驟5 :對于波長最短的正弦信號λ n，利用其通過步驟4獲得的最終全局相位φη(χ, y)和事先標定好的參數(shù)，利用下面公式獲得圖像中(X，y)點所對應的三維坐標(X，Y，Z)
r
X = xxRxY^yxRy(2)
^ Φ (χ,γ)χΣ
Φη(χ,γ) + 2π/0 其中D為投影光源與攝像機之間的距離；L為攝像機與參考平面的距離；f0為投影光源投射的正弦或者余弦信號波的頻率；Rx圖像在X軸方向相鄰像素點的距離值；Ry圖像在Y軸方向相鄰像素點的距離值。至此，本發(fā)明所設計的三維重建方法結束。本發(fā)明的有益效果是通過本發(fā)明所介紹的三維重建方法，可以解決背景復雜以及物體表面顔色不一致的難題，無需噴涂顯影劑，即可實現(xiàn)復雜顏色環(huán)境下的高精度三維測量，可以避免已有格雷碼和外差多頻方法，存在的有效測量信息丟失等測量缺陷。


圖I :測量場景的照片；圖2 :格雷碼三維測量情況下采集到的用于重建的圖片；圖3 :外差多頻情況下采集到的用于重建的圖片；圖4 :本發(fā)明所設計的多波長情況下采集到的用于重建的圖片；圖5 :測量效果對比圖 (a)格雷碼情況下三維測量效果圖；(b)外差多頻情況下三維測量效果圖；(C)本發(fā)明所設計的多頻率情況下三維測量效果圖；圖6 :本發(fā)明所設計的三維重建方法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明所提供的三維重建方式，是建立在相移光柵原理基礎之上，但是與格雷碼方法和外差多頻方法存在很大的差別。相移光柵的原理是向被測物體投射周期變化的正弦或者余弦函數(shù)波，經(jīng)過3步以上(最好4-8歩)的相移，通過采集到的相移光柵信息，解算出該點所對應的相位信息。從光源投射的正弦波形的變化規(guī)律如公式(I)所示/(X) = SinPTrxC^7+ ヌ))公式(I)其中I (X)為投射光強度；j :為周期因子，其值變化為0 PWPW:為周期長度；i :為步長因子，其值變化為0 NN :為相移的步數(shù)設相位值0 =相移量為パ=^·，則公式⑴可以表示為公式⑵I (X) = sin ( φ + δ )公式⑵在實際測量中，由于背景光的影響，實際釆集到的光亮度し的公式如公式(3)所示Ir(x) = a+bsin ( Φ + δ )公式(3)以三步相移為例，對于某一個像素點P，通過四次光投射，釆集到的圖像灰度值Irpl、Irp2- Irp3 如公式(4)所示。Irpl = a+bsin ( Φ _2 π/3)Irp2 = a+bsinQ)公式(4)Irp3 = a+bsin ( φ +2 Ji /3)因此相位值Φ可通過公式(5)獲得
權利要求
1.一種高精度多波長三維重建方法，本發(fā)明所述的三維重建方法可應用到如下的硬件系統(tǒng)中 用于投射光信號的光源投射裝置，光源投射裝置的分辨率為LKXL。； 用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機； 用于采集圖像的彩色攝像機，圖像分辨率為CkX Cc，相機個數(shù)為1-2個； 用于放置所述的光源投射裝置和所述的彩色攝像機的掃描平臺； 所述的高精度三維重建方法，其特征是，其操作步驟如下 步驟I :對于分辨率為LkX L。的光源投射裝置，選擇η個波長進行正弦或者余弦光信號的投射，如果相移光柵的投射方向為縱向，則所選的波長中的第一個波長的長度λ I = Lk ;如果相移光柵的投射方向為橫向，則所選的波長中的第一個波長的長度為λ i = L。；第二個波長的長度為第一個波長長度的1/2，即λ2 = λ 72，第三個波長的長度為第二個波長長度的1/2，即λ3= λ 2/2，依次類推，直到第η個波長的長度λ η落入最佳三維重建波長范圍，即15彡λ n ^ 30 ； 步驟2 :對于每種波長的正弦波，投射超過3步的相移光柵(最好為3-8步)，通過相移光柵投射在物體上的亮度值，計算該點(X，y)的局部相位值Φ (X，y)； 步驟3 :計算第一個波長光信號所對應的全局相位O1U, y)，其值滿足關系式=O1U,y) ^ (X，y)，設置計數(shù)變量k，并設定其初始值k = 2 ; 步驟4 :通過下式獲得其全局相位Φ,(Χ，y) cI3k(x^y) = 2 mk(x, γ) + Φ 5(χ, y)(I) 其中
全文摘要
本發(fā)明屬于三維機器視覺領域，涉及一種高精度多波長三維重建方法。該方法通過投射λ1、λ2......λnn種波長的正弦或者余弦規(guī)律變化的光信息，每種光信息經(jīng)過至少3步相移，最好3-8步。對于分辨率為LR×LC的光源投射裝置，如果相移光柵的投射方向為縱向，則所選的波長中的第一個波長的長度λ1＝LR；如果相移光柵的投射方向為橫向，則所選的波長中的第一個波長的長度為λ1＝LC；第二個波長的長度為第一個波長長度的1/2，即λ2＝λ1/2，第三個波長的長度為第二個波長長度的1/2，即λ3＝λ2/2，依次類推。通過本發(fā)明所設計的解相方法，可以獲得每個波長的全局相位Φk(x，y)，k＝1-n，利用最終的Φn(x，y)，可以解算物體的高精度三維坐標。本發(fā)明所設計的三維重建方法，優(yōu)于傳統(tǒng)的格雷碼和外差多頻方法的三維重建方法，可以有效的解決三維測量中復雜場景以及被測物體表面顏色不一致的測量難題，無需噴涂顯影劑，更加綠色環(huán)保。
文檔編號G01B11/25GK102853783SQ201210344198
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權日2012年9月18日
發(fā)明者宋麗梅, 楊燕罡, 陳卓 申請人:天津工業(yè)大學