基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及本发明专利技术涉及光学三维测量领域，特别是涉及基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统及方法。系统包括：照明单元、光学掩模、光学投影透镜、成像单元、控制单元和三维重建算法模块，光学掩模上有弧形相移条纹图案并且匀速旋转，照明单元发出的出射光通过光学掩模的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，相移条纹结构光图案通过光学投影透镜投影到待测目标上。三维重建算法模块根据包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现待测目标的三维重建。与传统的数字投影相比，本发明专利技术的系统可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，并且本发明专利技术的系统复杂性低和安装空间需求小，从而可以实现结构紧凑、成本低廉的系统设计。系统设计。系统设计。

【技术实现步骤摘要】
基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及本专利技术涉及光学三维测量领域，特别是涉及基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统及方法。

技术介绍

[0002]三维人脸识别技术由于结合了人脸面部纹理特征和三维立体结构信息，可以极大的降低环境、姿态、表情等因素对人脸识别率的限制。三维人脸识别技术快速发展应用的前提是三维人脸数据的采集，目前最为广泛采用的是基于三角测量原理的光学三维测量技术来获取三维人脸数据。通过投影结构光光场至待测目标表面来获取三维面形数据，并采用单目或双目相机来采集受到待测人脸目标表面调制的变形图像，并从中分析灰度、相位等信息来恢复三维信息。光学掩模编码可以用于丰富或增加被测人脸对象的表面纹理，从而提高三维重建结果的准确性和可靠性。此外，可以增加投射至待测目标表面的结构光图案数量，来提高三维测量精度。
[0003]目前，市场上的三维建模产品大多采用正弦条纹或者散斑投影技术，基于正弦条纹相移投影的三维测量系统相比基于散斑图案的三维测量系统可以获得更为优异的三维重建效果。但是正弦条纹投影的三维重建系统要求精确相移，通常采用DLP(Digital Light Processing)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)等商业数字投影设备，存在体积大、成本高等缺点，在需要平衡成本、精度和集成度的三维人脸识别中等应用中受到限制。基于结构光光学掩模的投影装置与商业数字投射器相比，具有结构紧凑、功耗小、集成度高的优点，目前已经出现了众多采用成本低廉散斑模板投影的商用产品，包括Orbbec，RealSense和Kinect V1.0，但是还未见报道通过成本低廉的结构光光学掩模实现新型、结构紧凑的相移条纹图案投影的三维数据成像。

技术实现思路

[0004]本专利技术构造一个新型、结构紧凑的相移条纹光场图案投射装置，将制作有弧形相移条纹图案的光学掩模固定在垂直于电机中心轴上，通过电机驱动光学掩模板旋转运动，并同时采用光源照亮光学掩模，生成时空调制的相移条纹光场。进一步，将该装置引入到基于相移条纹结构光的三维人脸成像系统中，能够采集静态或动态人脸目标的三维数据，提出了一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统及方法，可实现静态或动态对象人脸目标的三维数据获取。本专利技术的相移条纹光场图案投射装置可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，并且电子控制单元安装空间需求小、复杂性低，可以实现成本低、结构紧凑的系统设计。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，包括：照明单元(102)、光学掩模(103)、光学投影透镜(104)、成像单元(105)、控制单元(106)和三维重建算法模块，
[0007]光学掩模(103)匀速旋转，并且光学掩模(103)上有弧形相移条纹图案；
[0008]照明单元(102)发出的出射光通过光学掩模(103)的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，相移条纹结构光图案通过光学投影透镜(104)投影到待测目标上；
[0009]控制单元(106)分别与光学掩模(103)和成像单元(105)连接，用于控制光学掩模(103)的旋转速度与成像单元(105)的采集速度同步；控制单元(106)还用于将成像单元(105)采集到的包含被测目标几何信息的投影图像序列传送至三维重建算法模块；
[0010]三维重建算法模块接收控制单元(106)传送的包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现待测目标的三维重建。
[0011]作为本专利技术的优选方案，照明单元(102)的光源包括以下光源中的一种或几种：LED、弧光灯或白炽灯。
[0012]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)是结构光掩模盘，并且光学掩模(103)上相邻的弧形相移条纹图案之间存在恒定的相移间隔。
[0013]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案采用涂布、印刷、蚀刻或粘贴的方式制作于光学掩模(103)上。
[0014]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案的尺寸根据结构光掩模盘r和弧形相移条纹图案数量N决定，并且弧形相移条纹图案的弧向长度小于或等于2πr/N。
[0015]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)的旋转速度f
m
取决于成像单元(105)的图像采集帧率f
i
和光学掩模(103)的弧形相移条纹图案数量N，并且f
m
≤f
i
/N。
[0016]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)的旋转速度f
m
的取值范围是7.5Hz≤f
m
≤50Hz。
[0017]作为本专利技术的优选方案，光学掩模(103)在旋转运动过程中对照明单元(102)发出的出射光进行时间调制积分，调制生成不同的光强度。
[0018]基于相同的构思，还提出了一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]S1，采用上述任一的成像系统获取包含被测目标几何信息的投影图像序列；
[0020]S2，对包含被测目标几何信息的投影图像序列进行极线校正，得到校正条纹图像；
[0021]S3，从校正条纹图像中解析出纹理图像信息和截断相位信息；
[0022]S4，对截断相位信息进行展开，计算出连续相位信息；
[0023]S5，利用光学掩模调制生成的条纹结构光圆形排列特性，建立绝对相位值与三维空间圆锥体的对应关系，并结合三角测量原理反向投影迭代求解相机光线与相应的圆锥体的交点坐标，并计算出被测目标三维几何数据。
[0024]作为本专利技术的优选方案，半径r
c
与连续相位信息满足如下关系：
[0025]r
c
＝r
min
+φ(r
max
‑
r
min
)
[0026]其中，光学掩模(103)是圆形，r
min
和r
max
是圆形光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案的内半径和外半径，r
c
是圆形光学掩模(103)的圆半径，φ是归一化的连续相位信息。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0028]本专利技术使用了旋转的光学掩模产生时空调制的弧形相移条纹光场，并投射到待测目标表面进行编码。与散斑结构光投影技术相比，基于条纹投影的光学三维测量技术可以
获得性能表现更为优异的三维重建效果。与传统的数字投影相比，本专利技术的方法可以提供更高的对比度、更高的分辨率和更快的投影速度，由于电子控制单元的复杂性低和安装空间需求小，从而可以实现结构紧凑、成本低廉的系统设计。此外，光学掩模上的测量图案段可以根据实际测量需要进行个性化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，包括：照明单元(102)、光学掩模(103)、光学投影透镜(104)、成像单元(105)、控制单元(106)和三维重建算法模块，所述光学掩模(103)匀速旋转，并且所述光学掩模(103)上有弧形相移条纹图案；所述照明单元(102)发出的出射光通过所述光学掩模(103)的旋转调制，得到相移条纹结构光图案，所述相移条纹结构光图案通过光学投影透镜(104)投影到待测目标上；所述控制单元(106)分别与光学掩模(103)和成像单元(105)连接，用于控制所述光学掩模(103)的旋转速度与所述成像单元(105)的采集速度同步；所述控制单元(106)还用于将所述成像单元(105)采集到的包含被测目标几何信息的投影图像序列传送至所述三维重建算法模块；所述三维重建算法模块接收所述控制单元(106)传送的所述包含被测目标几何信息的投影图像序列，并实现所述待测目标的三维重建。2.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，所述照明单元(102)的光源包括以下光源中的一种或几种：LED、弧光灯或白炽灯。3.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，所述光学掩模(103)是结构光掩模盘，并且光学掩模(103)上相邻的弧形相移条纹图案之间存在恒定的相移间隔。4.如权利要求3所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，所述光学掩模(103)由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，所述光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案采用涂布、印刷、蚀刻或粘贴的方式制作于所述光学掩模(103)上。5.如权利要求4所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，所述光学掩模(103)上的弧形相移条纹图案的尺寸根据所述结构光掩模盘r和弧形相移条纹图案数量N决定，并且所述弧形相移条纹图案的弧向长度小于或等于2πr/N。6.如权利要求1所述的一种基于弧形二值编码相移条纹投影的三维成像系统，其特征在于，所述光学掩模(103)的旋转速度f
m
取决于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱江平，游志胜，毌攀良，周佩，谭毅，
申请(专利权)人：四川川大智胜软件股份有限公司，
类型：发明
国别省市：