一种S型分段相位编码结构光三维测量方法技术

本发明专利技术公开了一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，由相位编码原理、格雷码原理、条纹级次求解原理、三维测量原理四大关键部分组成。本发明专利技术的优点是：(1)对相位编码条纹采用分段编码处理，使嵌入的码字数量有了很大的提高,提高了测量精度。(2)采用S型分段相位编码，分段级次跳变处的分段相位编码级次无跳变，使分段级次判断更加精确。(3)简化分段相位编码条纹级次连接数据处理的算法。(4)本方法在高频测量时稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种S型分段相位编码结构光三维测量方法
本专利技术属于一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，具体涉及一种分段相位编码结合格雷码的三维测量方法。
技术介绍
结构光的广义定义可以描述为：投射器向已知空间方向投射编码光线，光线被测试物体调制变形，由探测器收集这些调制光线的集合，便组成了结构光。结构光投影轮廓术由于非接触、全场无损耗测量、测量速度快、灵敏度高和自动化程度高等优点，在三维测量中有重要意义。由计算机、投射器、探测器和被测物体组成的三角形结构称为结构光测量系统。三维结构光测量系统如图1所示，包括DLP1、CCD2、计算机3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；其特征是：DLP1和CCD2放在测量支架4上；DLP1、CCD2分别通过数据线连接计算机3；待测物体6放在参考平面5上；计算机3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP1将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体6表面，由CCD2采集条纹信息，经过计算机3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP1光轴和CCD2光轴相交于O点。DLP1和CCD2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l0。被测物体的高度计算公式为：其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，Δφ为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。条纹投影法作为研究结构光测量方法的重要方面，它主要是基于编码条纹的一种三维测量方法。通过对光学三维测量领域国内外研究现状及发展动向的分析研究，基于相位的相位编码条纹，对环境光、相机噪声、物体表面的反射率等不敏感，免疫性好，鲁棒性强，被广泛应用于三维测量领域。但是，当相位编码的码字增多时，导致码字之间的差距变小，相位条纹变模糊，相位编码的条纹边缘跳变不明显，影响码字的恢复，使得测量的结果受到很大的影响。格雷码是测量复杂物体最广泛的的方法之一，码字由0、1组成，编码简单，误码率低，但格雷码字个数是以2^n为标准决定的，当码字增加到一定程度时投影的幅数急剧上升，对于实际测量有很大的局限性。因此，本专利技术提出了一种S型分段相位编码结构光三维测量的方法，为了解决相位编码码字过多产生的问题，提出了S型分段的相位编码，每段嵌入m个码字，由于m较小，所以相位编码条纹边缘跳变明显，条纹级次的判决更稳健。为了解决分段连接问题，提出了使用格雷码的方法，由于分段的数量较小，可以用少量的格雷码条纹图准确判别出分段情况，同时，使用格雷码判断相位编码分段情况也使得分段的条纹级次连接计算变得简单、方便，某种程度上提高了数据的处理速度。
技术实现思路
本专利技术提出来一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，使得相位编码码字增加，减少处理所需数据的复杂度，在算法上提高测量速度，同时提高测量精度。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，按照实际测量需求，布置好投影系统、相机、工作站组成的三维测量系统。步骤一：根据相位编码条纹编码原理：通过设计使m个码字嵌入到一个S型分段的阶梯编码中，得到n段的分段编码相位，最终得到m*n个码字的相位编码条纹图。步骤二：根据格雷码条纹编码原理：通过设计使格雷码条纹对分段相位编码条纹的段数n进行编码，最终得到分段级次为n的格雷码条纹图。步骤三：将正弦条纹图、设计的相位编码和格雷码投影条纹图由投影仪投影个被测物体表面，再通过相机采集被物体调制的条纹图。步骤四：从采样的三幅正弦条纹图I1、I2、I3中使用三步相移法，如式(1)解调出包裹相位。步骤五：利用编码条纹图解调出分段的相位编码条纹级次K1，利用格雷码条纹图解出分段级次K2。在分段级次K2跳变处的分段相位编码级次K1无跳变的约束条件下，利用连接算法式(2)进而求出条纹级次K，再通过解相公式(3)得到条纹图的真实相位值Δφ＝φ+2×K×π(3)步骤六：利用相位-高度公式(4)获得被测物体的三维形貌；本专利技术所解决的技术问题：(1)增加相位编码码字的数量，提高测量精度。(4)简化连接分段相位编码条纹级次数据处理的算法，从算法层面上提高测量速度。本专利技术的优点：(1)与传统的相位编码条纹投影方法相比，利用分段思想扩大了码字的数量，提高了测量精度。(2)采用S型分段相位编码，分段级次跳变处的分段相位编码级次无跳变，使分段级次判断更加精确。(3)利用格雷码编码相位编码分段数，所需的格雷码图较少，而且由于格雷码的周期小，格雷码边缘判断的出错率更低。(4)利用格雷码方法判断相位编码分段情况简化了后面分段编码条纹级次连接的计算复杂度，在算法层面上，测量速度有一定程度的提高。附图说明图1为本专利技术的三维测量系统。图2为周期个数为128的某一行分段相位编码条纹级次。图3三位格雷码条纹某一行分段级次。图4为计算得到的某一行条纹级次。图中，1.DLP1、2.CCD2、3.计算机、4.测量支架、5.参考平面、6.待测物体。具体实施方式以下结合附图说明对本专利技术的具体实例做进一步详细的描述，本实例并不用于限制本专利技术，凡是采用本专利技术的相似结构及其相似变化，均应列入本专利技术的保护范围。本专利技术是这样来实施的，一种S型分段相位编码结构光测量方法，其特征是：由相位编码原理、格雷码原理、条纹级次求解原理、三维测量原理四大关键部分组成。(一)相位编码原理编码阶梯相位φs：m是正整数，为每段编码的码字个数，p是条纹间距，[x]表示最接近的整数。将编码阶梯相位φs嵌入到三步相移条纹图中。Ik(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)×cos(φs+δk)(6)I'(x,y)是平均强度值，I”(x,y)是强度调制值，δk是相移，δk＝0,2π/3,4π/3计算出分段相位编码的条纹级次K1。K1＝[m×(φs+π)/2π](7)(二)格雷码原理以三位格雷码为例说明格雷码原理。将被测空间分为8个区域，其中亮区域对应码值1，暗区域对应码值0，三位格雷码的编码规则如下图所示第一幅图00001111第二幅图00111100第三幅图01100110首先将格雷码转换成二进制，进而转换成十进制。格雷码码值转换成二进制码：G＝GnGn-1Gn-2...G1表示为格雷码码值；B＝BnBn-1Bn-2...B1表示其对应的二进制码编码值，表示异或。二进制码转换成十进制码：K2为格雷码解码值，即分段级次。(三)求解条纹级次(四)三维测量原理利用相位-高度公式：与(4)一致最后得到物体表面每一点的高度信息。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，由相位编码原理、格雷码原理、条纹级次求解原理、三维测量原理四大关键部分组成，其特征在于：步骤一：根据相位编码条纹编码原理：通过设计使m个码字嵌入到一个S型分段的阶梯编码中，得到n段的分段编码相位，最终得到m*n个码字的相位编码条纹图；步骤二：根据格雷码条纹编码原理：通过设计使格雷码条纹对分段相位编码条纹的段数n进行编码，最终得到分段级次为n的格雷码条纹图；步骤三：将正弦条纹图、设计的相位编码和格雷码投影条纹图由投影仪投影个被测物体表面，再通过相机采集被物体调制的条纹图；步骤四：从采样的三幅正弦条纹图I1、I2、I3中使用三步相移法下式(1)解调出包裹相位；

【技术特征摘要】
1.一种S型分段相位编码结构光三维测量方法，由相位编码原理、格雷码原理、条纹级次求解原理、三维测量原理四大关键部分组成，其特征在于：步骤一：根据相位编码条纹编码原理：通过设计使m个码字嵌入到一个S型分段的阶梯编码中，得到n段的分段编码相位，最终得到m*n个码字的相位编码条纹图；步骤二：根据格雷码条纹编码原理：通过设计使格雷码条纹对分段相位编码条纹的段数n进行编码，最终得到分段级次为n的格雷码条纹图；步骤三：将正弦条纹图、设计的相位编码和格雷码投影条纹图由投影仪投影个被测物体表面，再通过相机采集被物体调制的条纹图；步骤四：从采样的三幅正弦条纹图I1...

【专利技术属性】
技术研发人员：伏燕军，陈元，韩旭，王霖，钟可君，夏桂锁，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36