基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法技术

本发明专利技术提供了一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，本发明专利技术基于散焦三角二值模板、改进的三步相移算法、多频外差和两步匹配法。利用这些方法的优点，可以实现高精度的三维形状测量。实验表明，该方法比以前的方法更精确、有效。

A High Precision 3D Structured Light Reconstruction Method Based on Region Modulation Phase Shift Template

【技术实现步骤摘要】
基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法
本专利技术涉及一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法。
技术介绍
使用DLP投射装置的光学非接触式三维测量在过去几年中发展迅速。与其他三维形状测量方法相比，多频外差相移法是应用最广泛的技术之一，具有测量精度高、测量速度快等优点。然而，由于非线性伽马的影响，用商用投影仪很难产生理想的正弦条纹图案。针对非正弦光栅的误差，提出了几种补偿算法，如伽玛校正法和误差查找表法。所有这些方法都称为聚焦正弦模板(FSP)，预先利用平板来获得相关系数或相位误差，这既费时又不准确。最近，提出了一种离焦二值模式(DBP)生成正弦光栅的方法，该方法对投影仪的非线性伽马不敏感。然而，高阶谐波，如第三谐波，在条纹密集的情况下，对正弦曲线有着内在的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法。为解决上述问题，本专利技术提供一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，包括：引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹图像；基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；采用多频法得到展开相位；采用两步匹配方法得到相应的匹配点。进一步的，在上述方法中，引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹，包括：将尺寸为7像素、标准偏差为1.2像素的二维高斯滤波器应用于三角形二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹。进一步的，在上述方法中，基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模，包括：为了获得目标掩模，引入平均强度图像，条纹图像的强度改写为：I1＝I'(x,y)+I”(x,y)sin(φ(x,y))I2＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y))(4)I3＝I'(x,y)其中，I'(x,y)表示环境光的强度，I”(x,y)表示调制强度，φ(x,y)是包裹相位；根据公式(4)，φ(x,y)表示为：相位值的范围为[-π,π]，通过相位展开算法消除不连续，强度I3用于获取标记三维构造区域的对象遮罩，对强度的图像进行分割，得到二值图像，作为目标掩模。进一步的，在上述方法中，采用多频法得到展开相位，包括：使用频率为70和64的相位得到频率为6的相位；使用频率为64和59的相位可以得到频率5的相位；使用频率为6和5的相位可以得到频率为1的连续相位；利用频率1的相位，得到频率64的展开相位。进一步的，在上述方法中，采用两步匹配方法得到相应的匹配点，包括：对于观察到的左图像中的左侧点，计算出右图像中对应的匹配点即右侧点；基于所述右侧点，通过标定参数计算出相应的三维点。与现有技术相比，本专利技术基于散焦三角二值模板、改进的三步相移算法、多频外差和两步匹配法。利用这些方法的优点，可以实现高精度的三维形状测量。实验表明，该方法比以前的方法更精确、有效。附图说明图1是本专利技术一实施例的五级强度的三角波图；基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法的流程图；图2是本专利技术一实施例的三角波的频谱图；图3a是本专利技术一实施例的区域三角二值模板图；图3b是本专利技术一实施例的二维高斯滤波器散焦模式图；图3c是本专利技术一实施例的模拟模式的水平截面图；图3d是本专利技术一实施例的与FSP方法相比的相位误差图；图4a是本专利技术一实施例的投影后的捕获图像；图4b是本专利技术一实施例的分割后的二值图像；图5是本专利技术一实施例的三频外差原理图图6是本专利技术一实施例的立体校准图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术提供一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，包括：步骤S1，引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得高质量的正弦条纹图像；在此，散焦三角二元条纹可以产生正弦条纹。如果假设投影仪的图像大小是M*N(M和N分别是宽度和高度)，三角波的数学描述是：在上述方程中，T是周期值。图1显示了一个周期内的三角波和正弦波，图1中实线表示波形，虚线表示近似的正弦波形。可以发现三角形波更像正弦波。图2给出了三角波的频谱。从频谱图上可以看出，高次谐波远离基频。如果在这个频谱上使用高斯滤波器，基频将被保留，高次谐波将被抑制。因此，可以通过散焦三角二值图形来获得正弦条纹。本专利技术中使用的区域调制三角二值模板如图3(a)所示。将尺寸为7像素、标准偏差为1.2像素的二维高斯滤波器应用于三角形二值模式，散焦模式如图3(b)所示。一个横截面的强度和相位误差如图3(c)、3(d)所示。结果表明，该方法的相位误差比FSP方法小得多。与传统方法不同，本专利技术提出的方法是区域调制。该模式在垂直方向上有五个强度等级(0、0.25、0.5、0.75和1)，因此与只有两个强度等级(0和1)的传统二进制模式相比，它可以提高正弦条纹的质量。步骤S2，基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；在此，许多不同的相移算法已经被开发出来，一个众所周知的是所谓的三步相移。本专利技术将第三幅图像替换为平均强度图像。传统的三步相移图像可以描述为：I1＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)-2π/3)I2＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y))(2)I3＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y)+2π/3)其中，I'(x,y)表示环境光的强度，I”(x,y)表示调制强度，φ(x,y)是包裹相位。根据公式(2),φ(x,y)可表示为：为了获得目标掩模，引入平均强度图像。条纹图像的强度可以改写为：I1＝I'(x,y)+I”(x,y)sin(φ(x,y))I2＝I'(x,y)+I”(x,y)cos(φ(x,y))(4)I3＝I'(x,y)根据公式(4)，φ(x,y)可表示为：相位值的范围为[-π,π]，需要通过相位展开算法消除不连续。强度I3用于获取可以标记三维构造区域的对象遮罩。对强度的图像进行分割，得到二值图像，作为目标掩模。过程如图4所示。根据二值图像建立了一个二级矩阵(0和1)。如果矩阵的元素值为1，则需要计算相应的点，反之亦然。步骤S3，采用多频法得到展开相位；在此，利用外差原理可以得到边缘阶数。在本专利技术中，使用了三频外差。选择闭合频率70、64和59。首先，使用频率为70和64的相位得到频率为6的相位。同样，使用频率为64和59的相位可以得到频率5的相位。然后使用频率为6和5的相位可以得到频率为1的连续相位。最后，利用频率1的相位，得到较高频率的连续相位图。过程如图5所示。利用频率1的相位，得到频率64的展开相位。步骤S4，采用两步匹配方法得到相应的匹配点。在此，在匹配过程之前，采用立体校正来轻松获得匹配点。之后，将左图像(Leftimage)、右图像(Rightimage)的行与极外线平行，过程如图6所示。为了得到三维坐标，需要从两个绝对相位图中获得相应的图像点。首先，通过粗匹配得到匹配点的范围。第二，通过位置插值得到匹配点的精确位置。对于观察到的左图像中的左侧点，可以用方程(6)和(7)计算出右图像中对应的匹配点即右侧点。然后基于所述右侧点，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，其特征在于，包括：引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹图像；基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；采用多频法得到展开相位；采用两步匹配方法得到相应的匹配点。

【技术特征摘要】
1.一种基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，其特征在于，包括：引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹图像；基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模；采用多频法得到展开相位；采用两步匹配方法得到相应的匹配点。2.如权利要求1所述的基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，其特征在于，引入散焦三角二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹，包括：将尺寸为7像素、标准偏差为1.2像素的二维高斯滤波器应用于三角形二值模式，在不进行伽玛校正的情况下获得正弦条纹。3.如权利要求1所述的基于区域调制相移模板的高精度三维结构光重建方法，其特征在于，基于所述正弦条纹图像，采用改进的包含平均强度图像的三步移相算法得到包裹相位和目标掩模，包括：为了获得目标掩模，引入平均强度图像，条纹图像的强度改写为：其中，I'(x,y...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志成，张韶越，尚继辉，陈曾沁，孟繁冲，
申请(专利权)人：航天智造上海科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31