一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，解决了生成二值离焦投影图案因条纹周期宽度长短而出现误差较大问题，提出一种新的因应用场合不同而不断调整投影条纹周期宽度，减少不断迭代跳变次数，适用于快速测量的应用场合，并且在离焦投影状况下投影正反格雷码条纹，解决了因格雷码条纹边缘模糊导致相位求解误差较大的问题，并且利用正反格雷码法确定的相交点位置对于离焦程度不相关，都在同一像素点上，保证了该方法的稳定性与高精度。

【技术实现步骤摘要】
一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法
本专利技术涉及光学领域，尤其涉及一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法。
技术介绍
目前结构光三维测量技术主要是通过向目标物体投影正弦条纹，利用计算机采集的条纹图像获取相位信息从而得到物体的三维形貌。但是受投影仪原理所限，投影传统的正弦条纹无法满足高速测量的要求。同时投影仪的非线性特性使得投影出来正弦条纹发生了变化，从而导致在后续处理中会引入额外的相位误差。针对投影仪投影存在问题，改用离焦投影一种二值条纹，以提高测量系统的测量速度，同时避免投影仪的非线性问题。但对于投影仪离焦投影技术的关键点在于设计离焦投影二值条纹。常见离焦投影二值条纹主要包括有二进制条纹、脉冲宽度调制(PWM)技术、经抖动算法生成的二值条纹、还有最佳候选块二值条纹生成等等方法。其中二进制条纹投影方法简单，投影速度快，测量速度也快，但总是存在大量的高次谐波，会降低生成条纹的正弦性，极大地影响投影条纹的质量，从而引入相位误差。脉冲宽度调制(PWM)技术能有效减少高次谐波对条纹质量的影响，减少测量的相位误差，但是PWM技术往往用来处理条纹较窄的二值条纹，在二值条纹周期宽度较大时效果较差。经抖动算法生成的二值条纹方法虽能解决了宽周期条纹质量差的问题，但是难以处理短周期二值条纹的设计，对应不同应用场合有不同效果，测量相位精度不同。还有最佳候选块二值条纹生成方法能够根据测量场合不断调整投影的二值条纹，使得测量得到的相位误差最小，提高测量的准确性，但由于生成的最佳候选块二值条纹需不断迭代跳变，导致投影生成二值条纹速度慢，不适应快速测量的应用场合。
技术实现思路
本专利技术提供了一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，用于解决现有生成的最佳候选块二值条纹需不断迭代跳变，导致投影生成二值条纹速度慢，不适应快速测量的应用场合的技术问题。本专利技术提供的一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，包括：根据离焦生成的正弦条纹的对称性和周期性，选取像素大小为Sx×Sy的二值图像作为二值块，将所述二值块拼接生成条纹图像，其中，Sx表示X方向的长度，Sy表示Y方向的长度；二值块为生成投影条纹周期的一半，对上述二值块进行对称得到一周期的二值块；确定上述二值块中每个像素的灰度值分布，每个上述像素的灰度值为1或0；所述确定上述二值块中每个像素的灰度值分布具体包括：将Sx分为三部分，其中前后两部分长度相等，像素灰度值相反，根据Sx的奇偶公式来确定中间部分的范围取值Mx，所述奇偶公式具体为：其中n≤Sx/2；根据中间部分范围Mx的取值区间，然后按Mx从小到大进行取值；对Sx×Sy二值块进行随机赋值，然后利用确定好的Sx×Sy二值块进行对称，拼接生成整个周期的至少一个条纹图案；选取至少一个所述条纹图案中整幅二值图像经投影仪离焦后得到的图像和理想正弦图像之间的相位均方根误差最小的一幅条纹图案作为在Mx值下的最优投影二值图案；改变中间部分范围取值，并比较Mx在不同取值下离焦投影求得相位与理想正弦条纹之间相位均方根误差大小，取相位均方根误差最小的条纹图案作为最佳投影二值图案；对生成的二值图案进行投影仪离焦投影，对格雷码条纹进行了离焦投影，分别投影离焦过的正向格雷码与反向格雷码，通过求解这两个条纹轮廓的交点来定位条纹的边缘，确定格雷码的级数，并解出绝对相位。优选地，所述Sx表示条纹的长度方向，是条纹周期的一半，所述Sx的取值由第二奇偶公式确定，所述第二奇偶公式具体为：优选地，所述对生成的二值图案进行投影仪离焦投影，对格雷码条纹进行了离焦投影，分别投影离焦过的正向格雷码与反向格雷码，通过求解这两个条纹轮廓的交点来定位条纹的边缘，确定格雷码的级数，并解出绝对相位之后还包括：通过离焦二值图案的生成方法生成二值图案，根据三步相移法生成三幅最优的二值图案，并由DLP投影仪离焦投影三幅最优的二值图案于参考平面和被测物体上；通过摄像机获取参考平面上没有被调制的三幅条纹图及被测物体高度调制变形后的三幅条纹图案；生成正反两组格雷码条纹，并将所说正反格雷码条纹通过投影仪投影于参考平面和被测物体上，通过摄像机获取参考平面上没有被调制的两组正反格雷码条纹及被测物体高度调制变形后的两组正反格雷码条纹；分别求解两组相移的二值图案的相位主值；利用正反格雷码准确定位格雷码条纹的边缘，对格雷码进行解码，确定由格雷编码求取像素点所在的条纹周期数k，根据绝对相位与相位主值之间的关系，得到绝对相位确定α(x,y)为由参考平面上未经物体调制的条纹求解出的绝对相位、β(x,y)为由经过物体调制后的条纹求解出的绝对相位，获取两者的差值为物体连续相位差进行摄像机与投影仪标定，对系统的总体参数进行标定；根据系统标定的数据，利用物体高度信息求解表达式求解物体表面每一点的高度信息。优选地，所述利用确定好的Sx×Sy二值块进行对称具体包括：当条纹周期T为奇数时，二值块Sx×Sy就以第Sx-1列与第Sx列中间为对称线，以区间[0，Sx-1]为对称区间，且第Sx列的灰度值保持不变来得到整个周期的条纹图案；当条纹周期T为偶数时，二值块Sx×Sy就以第Sx列末为对称线，以区间[0，Sx]为对称区间得到整个周期的条纹图案。优选的，所述分别求解两组相移的二值图案的相位主值具体包括：根据三步相移法可以确定两组二值条纹图相移量分别是0，假定在两组相移的二值图案上的光强分布为：Ia1(b1)＝Aa(b)(x,y)+Ba(b)(x,y)cos(φa(b)(x,y))其中，a表示参考平面上没有被调制的三幅条纹图，b表示被测物体高度调制变形后的三幅条纹图，A(x,y)为条纹背景，B(x,y)为条纹对比度，为相位主值，求得两组条纹图的相位主值：优选的，所述相位主值为包裹相位，对应的值域为[-π,π]。优选的，所述物体高度信息求解表达式具体为：其中，L为相机光心与参考平面的垂直距离，D0为相机光心与投影仪光心的距离，T为一周期强度比对应的距离。从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供的一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，包括：根据离焦生成的正弦条纹的对称性和周期性，选取像素大小为Sx×Sy的二值图像作为二值块，将所述二值块拼接生成条纹图像，其中，Sx表示X方向的长度，Sy表示Y方向的长度；二值块为生成投影条纹周期的一半，对上述二值块进行对称得到一周期的二值块；确定上述二值块中每个像素的灰度值分布，每个上述像素的灰度值为1或0；所述确定上述二值块中每个像素的灰度值分布具体包括：将Sx分为三部分，其中前后两部分长度相等，像素灰度值相反，根据Sx的奇偶公式来确定中间部分的范围取值Mx；根据中间部分范围Mx的取值区间，然后按Mx从小到大进行取值；对Sx×Sy二值块进行随机赋值，然后利用确定好的Sx×Sy二值块进行对称，拼接生成整个周期的至少一个条纹图案；选取至少一个所述条纹图案中整幅二值图像经投影仪离焦后得到的图像和理想正弦图像之间的相位均方根误差最小的一幅条纹图案作为在Mx值下的最优投影二值图案；改变中间部分范围取值，并比较Mx在不同取值下离焦投影求得相位与理想正弦条纹之间相位均方根误差大小，取相位均方根误差最小的条纹图案作为最佳投影二值图案；对生成的二值图案进行投影仪离焦投影，对格雷码条纹进行了离焦投影，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，其特点在于，包括：根据离焦生成的正弦条纹的对称性和周期性，选取像素大小为Sx×Sy的二值图像作为二值块，将所述二值块拼接生成条纹图像，其中，Sx表示X方向的长度，Sy表示Y方向的长度；二值块为生成投影条纹周期的一半，对上述二值块进行对称得到一周期的二值块；确定上述二值块中每个像素的灰度值分布，每个上述像素的灰度值为1或0；所述确定上述二值块中每个像素的灰度值分布具体包括：将Sx分为三部分，其中前后两部分长度相等，像素灰度值相反，根据Sx的奇偶公式来确定中间部分的范围取值Mx，所述奇偶公式具体为：

【技术特征摘要】
1.一种结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，其特点在于，包括：根据离焦生成的正弦条纹的对称性和周期性，选取像素大小为Sx×Sy的二值图像作为二值块，将所述二值块拼接生成条纹图像，其中，Sx表示X方向的长度，Sy表示Y方向的长度；二值块为生成投影条纹周期的一半，对上述二值块进行对称得到一周期的二值块；确定上述二值块中每个像素的灰度值分布，每个上述像素的灰度值为1或0；所述确定上述二值块中每个像素的灰度值分布具体包括：将Sx分为三部分，其中前后两部分长度相等，像素灰度值相反，根据Sx的奇偶公式来确定中间部分的范围取值Mx，所述奇偶公式具体为：其中n≤Sx/2；根据中间部分范围Mx的取值区间，然后按Mx从小到大进行取值；对Sx×Sy二值块进行随机赋值，然后利用确定好的Sx×Sy二值块进行对称，拼接生成整个周期的至少一个条纹图案；选取至少一个所述条纹图案中整幅二值图像经投影仪离焦后得到的图像和理想正弦图像之间的相位均方根误差最小的一幅条纹图案作为在Mx值下的最优投影二值图案；改变中间部分范围取值，并比较Mx在不同取值下离焦投影求得相位与理想正弦条纹之间相位均方根误差大小，取相位均方根误差最小的条纹图案作为最佳投影二值图案；对生成的二值图案进行投影仪离焦投影，对格雷码条纹进行了离焦投影，分别投影离焦过的正向格雷码与反向格雷码，通过求解这两个条纹轮廓的交点来定位条纹的边缘，确定格雷码的级数，并解出绝对相位。2.根据权利要求1所述的结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，其特征在于，所述Sx表示条纹的长度方向，是条纹周期的一半，所述Sx的取值由第二奇偶公式确定，所述第二奇偶公式具体为：3.根据权利要求2所述的结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，其特征在于，所述利用确定好的Sx×Sy二值块进行对称具体包括：当条纹周期T为奇数时，二值块Sx×Sy就以第Sx-1列与第Sx列中间为对称线，以区间[0，Sx-1]为对称区间，且第Sx列的灰度值保持不变来得到整个周期的条纹图案；当条纹周期T为偶数时，二值块Sx×Sy就以第Sx列末为对称线，以区间[0，Sx]为对称区间得到整个周期的条纹图案。4.根据权利要求3所述的结构光测量系统的二值图案离焦投影方法，其特征在于，所述对...

【专利技术属性】
技术研发人员：高健，胡浩晖，周浩源，罗瑞荣，陈新，汤晖，陈云，贺云波，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44