基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，主要解决现有三维信息获取方法测量精度低、空间分辨率低、耗时长的问题。其实现步骤为：设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板；用投影仪将其投射到待测物体上，用摄像机记录变形条纹图像；求解变形条纹图像的颜色相位分布和强度相位分布；根据颜色相位分布和强度相位分布，计算变形条纹图像中像素点的截断相位展开值；根据截断相位展开值确定像素点在投影模板中的匹配点；用三角测距原理及匹配点坐标，求出变形条纹图像中每个像素点的三维坐标值。本发明专利技术具有空间分辨率高、测量精度高、测量速度快的优点，可用于对动态物体的三维信息获取。

【技术实现步骤摘要】
基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法
本专利技术属于测量
，特别涉及静态或动态物体的三维信息获取，可用于人机互动、虚拟现实、逆向工程、文物三维重建。
技术介绍
随着科学与技术的飞速发展，物体三维信息的获取在很多应用领域都有着广泛的应用前景，如生产自动化、人机交互、医学诊断、逆向工程、数字化建模等。其中，结构光测量法作为一种非接触式的三维信息获取技术，因其实现简单、速度快和精度高等优点得到了广泛应用。结构光三维测量方法的基本思想是利用结构光投影的几何关系来获得物体的三维信息。首先通过投影设备将编码的结构光模版投射到待测物体上，并使用摄像机记录下投影图像，将所拍图像与所投影的结构光模版进行匹配，找到匹配点后，利用投影点、匹配点及物体的三角关系求解目标物体的三维信息。现有技术中获得目标物体三维信息的方法，基于相位信息编码结构光的主要有相位轮廓测量法和傅里叶轮廓法，其中：相位轮廓测量法，采用相位偏移算法求解相位信息，至少需要投影三幅图像，有着高精度、高分辨率的特点，但因需要投射多幅模版，只适于静态物体的三维信息获取，且因对摄像机及投影设备的同步性要求较高，操作困难。傅里叶轮廓测量法，基于光栅相位同光强基频分量的线性关系，只需投影一幅图像，但因需要对傅里叶基频分量进行分离，故深度测量范围小，不适用于复杂的深度突变物体。此外，上述两种方法均需进行截断相位的展开，而现有的二维相位展开方法耗时较长，同时因为噪声的干扰，相位展开结果并不十分可靠；若通过增加投影模版数量对截断相位的周期进行编码，则加大了时间成本，不利于动态物体的三维信息获取。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，以在使用单幅模版、不增加设备复杂性的情况下，提高相位展开的速度，实现适用于动态目标物体的高精度、高分辨率的三维信息获取。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：（1）设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板P：（1a）设定双颜色条纹模版P的颜色为红色和蓝色，设强度变化的周期为Ti，颜色变化的周期为Tc，且Ti和Tc为互质的整数；（1b）将双颜色条纹模板P中第x行、第y列的像素点(x,y)处的红色分量灰度值标记为Pr(x,y)，蓝色分量灰度值标记为Pb(x,y)，并按下式进行赋值，构成双颜色条纹模板P：其中，x、y分别表示像素点(x,y)的行、列坐标，P(x,y)＝a+bcos(2πf1y)，a、b为常量，分别表示模板的背景深度和调制强度，C(x,y)＝sign(l(x,y)-l(x,y-1)))，l(y)＝cos(2πf2y)，sign(·)为取正负操作，用1表示正，-1表示负；（2）将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，再用投影仪T将双颜色条纹模板P投射到三维物体O上，用摄像机V拍摄经待测物体O调制过的变形条纹图像U；（3）将变形条纹图像U中灰度值大于10的像素点，标记为有效像素点(i,j)，计算有效像素点(i,j)的颜色编码信息C(i,j)及强度编码信息I(i,j)：其中，i、j分别表示有效像素点(i,j)的行、列坐标，Pr(i,j)，Pb(i,j)分别为有效像素点(i,j)的红色分量和蓝色分量的灰度值，C(i,j)为1表示红色，C(i,j)为-1表示蓝色；（4）计算变形条纹图像U中第i行、第j列的有效像素点(i,j)的颜色积分值：其中，start为第i行第一个有效像素点的列坐值；（5）将颜色积分值Tr(i,j)与波长为Tc的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的颜色相位分布（6）将强度编码信息I(i,j)与波长为Ti的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的强度相位分布（7）假定在深度为zR处存在虚拟参考平面R，根据空间几何关系，计算像素点(i,j)对应于虚拟参考平面R的参考颜色相位分布及参考强度相位分布其中，f为摄像机的焦距，b为摄像机V光心和投影仪T光心的水平距离，θV为摄像机的水平视场角，θT为投影仪的水平视场角，ΔdV为摄像机单个像素所代表的实际宽度，其值为NV为图像U的总列数，ΔdT为投影仪模版中单个像素所代表的实际宽度，其值为NT为模版P的总列数，（8）计算像素点(i,j)的强度截断相位差和颜色截断相位差（9）根据空间几何关系及余数定理，利用像素点的强度截断相位差(i,j)和颜色截断相位差求取像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)；（10）利用像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)，求取像素点(i,j)在投影模版P中的匹配点(x(i,j),y(i,j))，其中x(i,j)和y(i,j)分别表示匹配点在投影模板P中的行、列坐标值；（11）根据三角测距原理，利用像素点(i,j)与匹配点(x(i,j),y(i,j))的空间关系，计算待测物体的三维信息值。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术采用基于相位信息的混频结构光模版，依据相位信息进行匹配，可达到亚像素级的匹配精度；第二，本专利技术在不增加设备复杂性且仅使用一幅投影模版的情况下，实现了相位的快速展开，可用于实时三维测量；第三，本专利技术对变形条纹图像中的任意像素点均可实现匹配，且匹配过程不依赖于特征点提取，有效地提高了三维测量的鲁棒性和空间分辨率。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术设计的双颜色条纹模板图；图3为本专利技术使用的系统框图；图4为本专利技术获取的颜色相位分布图及强度相位分布图；图5为本专利技术获得的截断相位展开图；图6为本专利技术中进行三维测量时使用的空间几何关系图；图7为本专利技术获得的待测物体的三维重构图。具体实施方式本专利技术提出了一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，以在不增加设备复杂性的条件，实现适用于动态目标物体的高精度、高分辨率的三维信息获取。以下参照附图对本专利技术作进一步详细描述。参照图1，本专利技术的具体实现步骤如下：步骤1，设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板P。（1a）设定双颜色条纹模版P的颜色为红色和蓝色，设强度变化的周期为Ti，颜色变化的周期为Tc，且Ti和Tc为互质的整数，本实例中，Ti＝11，Tc＝8；（1b）将双颜色条纹模板P中第x行、第y列的像素点(x,y)处的红色分量灰度值标记为Pr(x,y)，蓝色分量灰度值标记为Pb(x,y)，并按下式进行赋值，构成双颜色条纹模板P，如图2所示：其中，x、y分别表示像素点(x,y)的行、列坐标，P(x,y)＝a+bcos(2πf1y)，a、b为常量，分别表示模板的背景深度和调制强度，C(x,y)＝sign(l(x,y)-l(x,y-1)))，l(y)＝cos(2πf2y)，sign(·)为取正负操作，用1表示正，-1表示负。步骤2，拍摄待测物体O调制过的变形条纹图像U。参照图3，拍摄时，将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，再用投影仪T将双颜色条纹模板P投射到待测物体O上，使待测物体Ｏ对双颜色条纹模板Ｐ进行调制，用摄像机V拍摄待测物体O调制过的变形条纹图像U。步骤3，将变形条纹图像U中灰度值大于10的像素点，标记为有效像素点(i,j)，计算有效像素点(i,j)的颜色编码信息C(i,j)及强度编码信息I(i,j)：其中，i、j分别表示有效像素点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，包括如下步骤：（1）设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板P：（1a）设定双颜色条纹模版P的颜色为红色和蓝色，设强度变化的周期为Ti，颜色变化的周期为Tc，且Ti和Tc为互质的整数；（1b）将双颜色条纹模板P中第x行、第y列的像素点(x,y)处的红色分量灰度值标记为Pr(x,y)，蓝色分量灰度值标记为Pb(x,y)，并按下式进行赋值，构成双颜色条纹模板P： P r ( x , y ) = C ( x , y ) + 1 2 P ( x , y ) P b ( x , y ) = - C ( x , y ) - 1 2 P ( x , y ) 其中，x、y分别表示像素点(x,y)的行、列坐标，P(x,y)=a+bcos(2πf1y)，a、b为常量，分别表示模板的背景深度和调制强度，C(x,y)=sign(l(x,y)‑l(x,y‑1)))，l(y)=cos(2πf2y)，sign(g)为取正负操作，用1表示正，‑1表示负；（2）将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，再用投影仪T将双颜色条纹模板P投射到三维物体O上，用摄像机V拍摄经待测物体O调制过的变形条纹图像U；（3）将变形条纹图像U中灰度值大于10的像素点，标记为有效像素点(i,j)，计算有效像素点(i,j)的颜色编码信息C(i,j)及强度编码信息I(i,j)： C ( i , j ) = 1 P r ( i , j ) ≥ ...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，包括如下步骤：(1)设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板P：(1a)设定双颜色条纹模版P的颜色为红色和蓝色，设强度变化的周期为Ti，颜色变化的周期为Tc，且Ti和Tc为互质的整数；(1b)将双颜色条纹模板P中第x行、第y列的像素点(x,y)处的红色分量灰度值标记为Pr(x,y)，蓝色分量灰度值标记为Pb(x,y)，并按下式进行赋值，构成双颜色条纹模板P：其中，x、y分别表示像素点(x,y)的行、列坐标，P(x,y)＝a+bcos(2πfiy)a、b为常量，分别表示模板的背景深度和调制强度，C(x,y)＝sign(l(x,y)-l(x,y-1))，l(x,y)＝cos(2πf2y)，sign(·)为取正负操作，用1表示正，-1表示负；(2)将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，再用投影仪T将双颜色条纹模板P投射到三维物体O上，用摄像机V拍摄经待测物体O调制过的变形条纹图像U；(3)将变形条纹图像U中灰度值大于10的像素点，标记为有效像素点(i,j)，计算有效像素点(i，j)的颜色编码信息C(i,j)及强度编码信息I(i,j)：其中，i、j分别表示有效像素点(i,j)的行、列坐标，Pr(i,j)，Pb(i,j)分别为有效像素点(i,j)的红色分量和蓝色分量的灰度值，C(i,j)为1表示红色，C(i,j)为-1表示蓝色；(4)计算变形条纹图像U中第i行、第j列的有效像素点(i,j)的颜色积分值：其中，start为第i行第一个有效像素点的列坐值；(5)将颜色积分值Tr(i,j)与波长为Tc的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的颜色相位分布(6)将强度编码信息I(i,j)与波长为Ti的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的强度相位分布(7)假定在深度为zR处存在虚拟参考平面R，根据空间几何关系，计算像素点(i,j)对应于虚拟参考平面R的参考颜色相位分布及参考强度相位分布其中，f为摄像机的焦距，b为摄像机V光心和投影仪T光心的水平距离，θV为摄像机的水平视场角，θT为投影仪的水平视场角，ΔdV为摄像机单个像素所代表的实际宽度，其值为NV为图像U的总列数，ΔdT为投影仪模版中单个像素所代表的实际宽度，其值为NT为模版P的总列数，Tc为双颜色条纹模板P的颜色变化周期；(8)计算像素点(i,j)的强度截断相位差和颜色截断相位差(9)根据空间几何关系及余数定理，利用像素点的强度截断相位差和颜色截断相位差求取像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)；(10)利用像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)，求取像素点(i,j)在投影模版P中的匹配点(x(i,j),y(i,j))，其中x(i,j)和y(i,j)分别表示匹配点在投影模板P中的行、列坐标值；(11)根据三角测距原理，利用像素点(i,j)与匹配点(x(i,j),y(i,j))的空间关系，计算待测物体的三维信息值。2.根据权利要求1所述的基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，其中步骤(5)所述的求取像素点(i,j)的颜色相位分布按如下步骤进行：(5a)将颜色积分值Tr(i,j)与波长为Tc的一维Gabor滤波器进行卷积，得到像素点(i,j)的响应值Gc(Tr(i,j))；(5b)计算像素点(i,j)的颜色相位分布其中，imag(·)为取复数的虚部操作，real(·)为取复数的实部操作。3.根据权利要求1所述的基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，其中步骤(6)所述的求取像素点(i,j)的强度相位分布按如下步骤进行：(6a)将强度编码信息I(i,j)与波长为Ti的一维Gabor滤波器进行卷积，得到像素点(i,j)的响应值Gi(I(i,j))；(6b)计算像素点(i,j)的强度相位分布4.根据权利要求1所述的基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，其中步...

【专利技术属性】
技术研发人员：石光明，高山，李甫，石悦鑫，李芹，杨莉莉，李若岱，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61