一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，包括如下步骤：计算机生成各种光栅图；将光栅图经投影仪散焦投影到被测目标上；用摄像机采集光栅图像；利用四步相移法求得主值相位；利用额外光栅图得到标准化后的辅助光栅图；利用灰阶码法对主值相位进行相位展开；对摄像机和投影仪进行标定，根据空间交汇法计算出三维坐标。本发明专利技术的有益效果为：测量速度达到投影仪的最大刷新频率，得到较大提升；投影仪无需非线性校正；增加一幅额外的二值光栅图，用来解相位的散焦辅助光栅图可以准确地转换为标准二值分布，从而得到求解绝对相位的精确灰阶码，克服了复杂表面目标绝对相位不精确的问题，提高了相位质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法
本专利技术涉及三维信息重构领域，尤其是一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法。
技术介绍
光学三维测量技术能够准确获取物体的三维面形数据，可用于三维模型重建、物体表面轮廓测量、工业环境中的尺寸和形位参数的检测等，因此它在虚拟现实、投影特技、医学整形和美容、工业产品的外观设计、艺术雕塑和文物保护等领域都有广阔的应用前景。光栅投影法是一种重要的三维测量技术，通过向物体表面投射正弦光栅，将物体的高度信息以相位的形式调制在光栅中，利用CCD相机获得物体表面的光栅条纹图像，并使用条纹分析方法对条纹图像进行处理，提取其中的相位，从而建立物体的三维信息。基于DLP(digitallightprocessing)投影仪的数字光栅投影技术越来越多的用于高质量实时光学三维测量，但传统的三维测量方法往往无法同时达到高速和高质量。在实时三维测量系统中，投影正弦光栅或是散焦二值光栅决定了测量系统所能达到的速度。散焦是针对DLP投影而言。正常使用时，投影仪镜头一般调节到聚焦状态，散焦是相对于聚焦而言，适当调节聚焦旋钮使投影画面模糊，即可达到不同程度的散焦。二值光栅散焦技术相对于传统的正弦光栅投影技术具有明显的优势。投影仪接受的始终是二值(0-1)图像而非灰度图像，因此相机采集各图像通道数据时曝光时间可以设置为远小于通道的持续时间，这使得测量速度达到DLP投影仪的最大刷新频率120帧每秒。散焦技术的另一优势就是投影仪不需要非线性校正。解相位是相位法中重要的一步，也是光栅投影法的基本问题之一。为了提高解相位的准确性，通常采用灰阶码等编码方法，通过增加投影条纹的数量来获得足够的相位信息。相位法中获得相位的过程分为两步，第一步是通过相移法公式获得条纹图的相位场主值，相移法公式得到的是锯齿形的相位场主值，值域位于(-π,+π]区间；第二步是将主值相位场恢复为全场完整的相位场，称为解相位或解包裹。由此可见，解相位的关键就是确定光栅条纹的周期次数。灰阶码法给光栅上每个点一个灰阶数，该灰阶数对应着该点的条纹周期次数，这就要用到辅助光栅条纹。每一幅辅助条纹图像决定灰阶数的一位数字的取值(0或1)，对每一个点来说，它在各辅助条纹图像中的颜色(灰或白)的组合，就决定了它的灰阶数。通过灰阶码可以确定通过时域确定条纹图上每一点的条纹次数，而不依赖于空域上条纹的分布性质，有效地克服了复杂表面、高度跳变、阴影等引起的误判。用这种方法解得的相位，准确、方便、算法简洁，但是需要另外增加若干辅助光栅条纹，这样测量时速度较慢，提高了对光栅设备的要求，增加了系统的硬件成本和时间成本。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，对散焦后的二值辅助光栅进行二值标准化，改善了灰阶码的准确性，提高了绝对相位的质量。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，包括如下步骤：(1)利用计算机生成大小为M行N列的标准正弦光栅图像I，每点的灰度计算公式为：其中，I(i,j)为光栅图像I在第i行第j列处的灰度值，p为光栅条纹周期，为光栅的相移量；(2)I经抖动算法处理生成二值抖动光栅图D，D的大小与I相同；(3)利用计算机生成大小为M行N列的二值辅助光栅图G和一幅额外二值光栅图F，即：其中，F(i,j)为光栅图像F在第i行第j列处的像素值；(4)将二值抖动光栅图D、二值辅助光栅图G和额外二值光栅图F通过投影仪散焦投射到被测目标上，用摄像机采集变形光栅条纹，得到大小为r行c列的图像，其中D散焦后的正弦光栅可以表示为：In(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/4]其中，n＝0,1,2,3，In(x,y)为第n幅图像的灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制强度，φ(x,y)为待求的主值相位分布，(x,y)表示变形光栅图像中各像素点的二维坐标，取值范围分别为：1≤x≤r,1≤y≤c；(5)利用四步相移法求解主值相位φ(x,y)：(6)将G散焦后的辅助光栅图Gd和F散焦后的额外光栅图Fd上所有像素点的值进行比较，得到标准化后的辅助光栅图Gnd可以表示为：其中，(x,y)表示光栅图中每个像素点的二维坐标；(7)对标准化后的辅助光栅图进行编码，通过对比就可以得到最细的光栅条纹，即相移光栅的周期次数，利用灰阶码法将主值相位进行相位展开得到绝对相位θ(x,y)：θ(x,y)＝φ(x,y)+2k(x,y)π,其中k(x,y)为整数，表示(x,y)点所处的光栅条纹周期次数。(8)对摄像机和投影仪进行标定，获取投影仪与摄像机的对应像素点对；根据空间交汇法求得目标物体的三维坐标信息。优选的，步骤(3)中增加一幅额外的二值光栅，用于步骤(6)中散焦的辅助光栅标准化过程。优选的，步骤(4)中使用投影仪DLPLightCrafter4500散焦投影二值光栅，既发挥了该投影仪的快速投影特性，又使得散焦后的正弦光栅不失正弦性。优选的，优选的，步骤(8)的空间交汇法具体步骤为：其中，(u1,v1)为摄像机图像坐标系中的任一点坐标，(u2,v2)为投影仪图像坐标系中对应的点坐标，θ1(u1,v1)、θ2(u1,v1)为标定过程中水平和垂直光栅图像的解包裹相位，Nc为光栅图像的条纹周期数，W1、W2分别为投影仪在水平和竖直方向上的分辨率，Sc1、Sc2为比例系数，Ac1[Rc1Tc1]为摄像机内外参矩阵，Ac2[Rc2Tc2]为投影仪内外参矩阵，[XYZ]为待测目标物体的三维坐标。本专利技术的有益效果为：属于一种二值光栅散焦技术，在实时三维测量系统中，DLP投影仪接受的始终是二值图像而非灰度图像，因此相机采集各图像通道数据时曝光时间可以设置为远小于通道的持续时间，使得测量速度达到投影仪的最大刷新频率，得到较大提升；投影仪无需非线性校正；增加一幅额外的二值光栅图，用来解相位的散焦辅助光栅图可以准确地转换为标准二值分布，从而得到求解绝对相位的精确灰阶码，克服了复杂表面目标绝对相位不精确的问题，提高了相位质量。附图说明图1是本专利技术的方法流程图。图2是本专利技术的测量系统结构图。图3是本专利技术的二值化方法示意图。图4是本专利技术的二值光栅示意图，(a)-(e)是辅助光栅示意图，(f)是额外光栅示意图。图5是本专利技术的摄像机采集投影到两只手上的相移正弦光栅图。图6是本专利技术的摄像机采集投影到两只手上的最窄的二值辅助光栅图。图7是本专利技术的摄像机采集投影到两只手上的最宽的二值辅助光栅图。图8是本专利技术的摄像机采集投影到两只手上的额外二值光栅图。图9是本专利技术的仿真的散焦后二值辅助光栅图和额外光栅图的强度分布图。图10是本专利技术的两只手的绝对相位图。图11是本专利技术的两只手的绝对相位图的立体视图。具体实施方式在Windows操作系统下选用MATLAB作为编程工具设计生成所需的光栅，选用VisualStudio作为编程工具处理摄像机采集到的变形光栅。该实例采用人手作为被测物体，利用一幅额外的二值光栅图可以得到比较精确的含有三维信息的绝对相位分布，并生成三维点云数据。如图1所示，为本专利技术的方法流程图，包括如下步骤：(1)利用计算机生成大小为M行N列的标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用计算机生成大小为M行N列的标准正弦光栅图像I，每点的灰度计算公式为：其中，I(i,j)为光栅图像I在第i行第j列处的灰度值，p为光栅条纹周期，为光栅的相移量；(2)I经抖动算法处理生成二值抖动光栅图D，D的大小与I相同；(3)利用计算机生成大小为M行N列的二值辅助光栅图G和一幅额外二值光栅图F，即：其中，F(i,j)为光栅图像F在第i行第j列处的像素值；(4)将二值抖动光栅D、二值辅助光栅G和额外二值光栅F通过投影仪散焦投射到被测目标上，用摄像机采集变形光栅条纹，得到大小为r行c列的图像，其中D散焦后的正弦光栅可以表示为：In(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/4]其中，n＝0,1,2,3，In(x,y)为第n幅图像的灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制强度，φ(x,y)为待求的主值相位分布，(x,y)表示变形光栅图像中各像素点的二维坐标，取值范围分别为：1≤x≤r,1≤y≤c；(5)利用四步相移法求解主值相位φ(x,y)：φ(x,y)=arctan[Σn=03In(x,y)sin(2πn/4)Σn=03In(x,y)cos(2πn/4)]]]>(6)将G散焦后的辅助光栅图Gd和F散焦后的额外光栅图Fd上所有像素点的值进行比较，得到标准化后的辅助光栅图Gnd可以表示为：Gnd(x,y)=1,ifGd(x,y)>Fd(x,y)0,ifGd(x,y)<Fd(x,y),]]>其中，(x,y)表示光栅图中每个像素点的二维坐标；(7)对标准化后的辅助光栅图进行编码，通过对比就可以得到最细的光栅条纹，即相移光栅的周期次数，利用灰阶码法将主值相位进行相位展开得到绝对相位θ(x,y)：θ(x,y)＝φ(x,y)+2k(x,y)π,其中k(x,y)为整数，表示(x,y)点所处的光栅条纹周期次数；(8)对摄像机和投影仪进行标定，获取投影仪与摄像机的对应像素点对；根据空间交汇法求得目标物体的三维坐标信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用计算机生成大小为M行N列的标准正弦光栅图像I，每点的灰度计算公式为：其中，I(i,j)为光栅图像I在第i行第j列处的灰度值，p为光栅条纹周期，为光栅的相移量；(2)I经抖动算法处理生成二值抖动光栅图D，D的大小与I相同；(3)利用计算机生成大小为M行N列的二值辅助光栅图G和一幅额外二值光栅图F，即：其中，F(i,j)为光栅图像F在第i行第j列处的像素值；(4)将二值抖动光栅图D、二值辅助光栅图G和额外二值光栅图F通过投影仪散焦投射到被测目标上，用摄像机采集变形光栅条纹，得到大小为r行c列的图像，其中D散焦后的正弦光栅可以表示为：In(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/4]其中，n＝0,1,2,3，In(x,y)为第n幅图像的灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制强度，φ(x,y)为待求的主值相位分布，(x,y)表示变形光栅图像中各像素点的二维坐标，取值范围分别为：1≤x≤r,1≤y≤c；(5)利用四步相移法求解主值相位φ(x,y)：(6)将G散焦后的辅助光栅图Gd和F散焦后的额外光栅图Fd上所有像素点的值进行比较，得到标准化后的辅助光栅图Gnd可以表示为：其中，(x,y)表示光栅图中每个像素点的二维坐标；(7)对标准化后的辅助光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：达飞鹏，郑东亮，赵立伟，肖毅鹏，戴鲜强，张璞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32