一种用于三维测量的光栅条纹相位求解方法技术

本发明专利技术提出一种用于三维测量的光栅条纹相位求解方法，使用计算机生成四幅光栅条纹；使用投影仪将生成的四幅光栅条纹透射到待测物表面，使用摄像机同步拍摄经待测物调制的四幅条纹图像；根据四幅条纹图像求解四幅光栅条纹中包含的两个不同的相位，然后相位去包裹获得用于三维重建的绝对相位。本发明专利技术只需使用四幅结构光条纹就能进行相位求解与去包裹。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种用于三维测量的光栅条纹相位求解 方法。
技术介绍
三维测量是应用一定的手段和方法对被测量物进行扫描获取其表面空间几何坐 标位置的过程。传统方法通常利用三维坐标机来实现对物体三维轮廓的提取。该类方法优 点在于测量精度高，而不足之处是测量周期较长，且由于其接触式测量的特性不适用于检 测表面柔软的物体。光学三维测量方法是一种非接触的三维测量方法，不仅可以非接触地 测量物体，而且测量效率高，测量速度快。随着工业、计算机视觉、医学等领域的发展，它们 对三维测量技术的性能要求不断提高。快速动态物体的测量正逐渐成为光学三维测量技术 的发展的一个重要方向。 在工业检测中，产品的质量控制是一项非常重要的工作。由于生产线的高速运行 以及流水线自动化的需求，使得传统的依靠人力实现产品外观检测、缺陷检查的方法不再 适用；在汽车制造领域，通常要对汽车的气囊进行动态建模分析，由于气囊在受到剧烈撞击 时需要迅速打开，了解气囊在整个充气过程动态、量化的三维轮廓数据能为其设计者提供 更加合理气囊设计方案，为司机带来更为安全的驾驶环境；在目标识别领域，传统的识别方 法是二维图像的识别。二维图像由于只有平面信息，所以其对于物体的位置、深度是十分敏 感的。这也就意味着，当从多个角度对同一物体进行拍摄时，通常会得到多个不同的拍摄结 果。而三维的目标识别就可以很好的解决这一问题，因为在空间领域物体外形不变，所以保 证了恢复的三维数据的稳定可靠的； 近年来，随着数字投影设备与采集设备的高速发展，基于结构光投影的快速三维 测量已成为快速三维测量技术研究的一个重要方向。然而，目前为达到这一目的，仍有很 多需要解决的问题。其中一个关键问题就是如何较少的条纹帧数来实现测量的目的。因 为更少的条纹帧数意味着能在更短的时间内完成获取三维数据，从而能更准确地把握物 体运动过程中的每一个位置的变化或者形变的趋势。就现有的相位解调方法而言，文献 "Superfast multifrequency phase-shifting technique with optimal pulse width modulation"（作者Y. Wang and S. Zhang)中采用了九帧光栅条纹图来求解相位，文献 "Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement"（作者K. Liu 等）使用了六幅条纹图来进行相位求解与去包裹。这些方法由于采用的条纹帧数较多，所 以它们对物体的运动仍较为敏感。因此，如何采用更少条纹数来求解待测物相位成为了一 个热点研究问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，只需使用四 幅结构光条纹就能进行相位求解与去包裹。 为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种用于三维测量的光栅条纹相位求解方 法，使用计算机生成四幅光栅条纹；使用投影仪将生成的四幅光栅条纹透射到待测物表面， 使用摄像机同步拍摄经待测物调制的四幅条纹图像；根据四幅条纹图像求解四幅光栅条纹 中包含的两个不同的相位，然后相位去包裹获得用于三维重建的绝对相位。 进一步，所述四幅光栅条纹I,~I 4的光学表达式为， 其中，（xp，yp)表示生成的光栅条纹图像的像素坐标，A为图像直流分量，B为振幅， F为第一幅光栅条纹I1所包含的光栅条纹频率，W为每幅光栅条纹图像的像素宽度。 「00131 讲一击.经待涮物调制的四幅备纹图像Γ,~T ^的I强；亦；耒伏忒加下所沄. 其中，（x，y)为摄像机拍摄图像的像素坐标，α为被测物表面反射率，P1为被反 射的环境光，02为直接进入摄像机的环境光，Φ(χ，7)为第一幅至第三幅条纹图像右 所包含的相位，(X，y)为第四幅条纹图像G所包含的相位。 进一步，所述相位Φ (X，y)和相位Φ ' (X，y)的求解方法分别如下式所示， 进一步，获得去包裹后绝对相位Φ的方法如下式所示， Φ (X，y) = Φ (X，y)+2 π XNINT 其中，Φ (x，y)为Φ (x，y)去包裹后的绝对相位，NINT表示去最近的整数。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，传统方法中，若需要解得绝对相位，往 往最少需要的六幅光栅条纹（双频三步相移法或双频条纹叠加法），而本专利技术只需四幅光 栅条纹就能实现绝对相位的求取；由于测量的相位值通过一定关系可直接转换为物体的三 维数据，所以相位求取的结构光条纹帧数的减少就意味着三维重建所需的条纹数减少，也 能表明测量速度得到了提升；由于使用更少帧数的结构光条纹，所以本专利技术将能在更短周 期内完成物体三维面型的测量，因此其特别适合测量快速运动物体的三维轮廓。 下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。【附图说明】 图1为本专利技术用于三维测量的光栅条纹相位求解方法流程示意图。 图2为本专利技术实施例中生成的四幅光栅条纹，其中，（a)为生成的第一幅光栅条纹 I1, (b)为生成的第二幅光栅条纹12,（c)为生成的第三幅光栅条纹13,（d)为生成的第四幅 光栅条纹14。 图3为本专利技术实施例中仿真带有待测物体的四幅条纹图，待测物体为两个高度不 同方块，其中，（a)为第一幅条纹图像/Γ，（b)为第二幅条纹图像/丨，（c)为第三幅条纹图 像石，⑷为第四幅条纹图像。 图4为本专利技术实施例中测量获得的相位图，其中，（a)为相位Φ的相位图，（b)为 相位的相位图，（c)为最后获得的绝对相位Φ的相位图。【具体实施方式】 容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域 的一般技术人员可以想象出本专利技术用于三维测量的光栅条纹相位求解方法的多种实施方 式。因此，以下【具体实施方式】和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为 本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。 结当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于三维测量的光栅条纹相位求解方法，其特征在于，使用计算机生成四幅光栅条纹；使用投影仪将生成的四幅光栅条纹透射到待测物表面，使用摄像机同步拍摄经待测物调制的四幅条纹图像；根据四幅条纹图像求解四幅光栅条纹中包含的两个不同的相位，然后相位去包裹获得用于三维重建的绝对相位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钱，冯世杰，顾国华，左超，张玉珍，陶天阳，张良，孙佳嵩，胡岩，张佳琳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32