一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法及系统，基于多重曝光时间下所获取的不同相位图像，构建相位加权融合模型，基于多重曝光时间下的相位值计算出准确的相位值，结合邻域相位分布，得到均匀的相位分布图，相对于传统的在灰度图上进行像素级的替换以实现高动态范围图像合成的方法，从而能够减小相机噪声、局部反射等因素的带来的误差影响，获取更加准确的相位图，实现左右相机相位点的精确匹配，保证重建点云的准确性与平滑性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法及系统


[0001]本专利技术属于三维测量领域，更具体地，涉及一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法及系统。

技术介绍

[0002]目前在工业零件测量领域，基于面结构光的三维测量技术具备测量速度快、数据量大的优势，得到了广泛的应用。然而，工业金属零件往往表面存在锈迹、油污和加工反光面等多反射区域，造成弱反射、强反射、多次反射、散射等现象，导致图像中可能存在信噪比过低和饱和失真等现象，致使产生较大的相位计算误差和三维计算误差。
[0003]针对这一问题，现有的解决方法主要分为单次最佳图像获取和多重图像融合两种。其中，单次最佳图像获取主要包括调整相机最佳曝光时间、调整投影仪投影图案强度、深度学习、偏振滤光、颜色不变性的HDR等，试图通过一次测量实现重建，花费时间较少，但需根据实际测量场景不断调整设备及参数，应用局限较大，难以满足工业测量的需求；多重图像融合主要包括多重曝光图像融合、多重投影亮度图像融合、光度立体法等，通过图像合成技术，获取不同系统配置下的灰度图像，进行像素级替换，从而保证低反射区域和高反射区域的图像像素灰度值能够非饱和且调制度达到一定强度，最终实现稳定的三维测量。其中，多重曝光融合方法操作简单，无需添加其他设备，通用性强，是目前的主流方法之一。
[0004]多重曝光融合方法主要通过获取不同曝光时间下的条纹图像，进行合成，从而避免图像的过饱和。理想情况下可以获取精确的相位，但由于相机噪声、局部反射等因素影响，同一像素在不同曝光时间下计算出来的相位之间存在一定偏差，直接采用像素级的替换会导致合成图像本身存在区域分块的现象，计算出来的相位图分布不均匀，进而导致相位点匹配发生偏差，重建的点云不平滑，表面存在大量凹凸不平的区域。
[0005]为此，亟需一种能保证高动态范围物体表面的相位图计算准确的方法，使得相位分布均匀，保证重建点云的准确性与平滑性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法及系统，由此解决现有的多重曝光融合方法对相位图的计算精度不高引起的重建点云不平滑的技术问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，包括：
[0008]S1，向待测工件表面投射一组多频光栅条纹图像，通过左右相机同步获取在待测工件表面形成的条纹投影图；
[0009]S2，基于所述条纹投影图分别获取各频率下左右相机的相对相位图及任一频率下左右相机的调制度图；利用所述各频率下的相对相位图，对所述任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图；
[0010]S3，根据所述调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数；基于所述加权系数和所述绝对相位图中各像素点的绝对相位值，对各像素点进行相位加权，得到相位加权后的绝对相位图；
[0011]S4，对所述相位加权后的绝对相位图进行相位点匹配，重建三维点云。
[0012]优选地，所述基于调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数，具体为：
[0013][0014]其中，W
x,y,k
、C
x,y,k
、M
x,y,k
和Mask
x,y,k
分别表示第k次曝光的像素点(x，y)的加权系数、相位对比度、调制度和过饱和系数；ω
c
、ω
M
分别表示C
x,y,k
、Mask
x,y,k
的权重指数；当第k次曝光的像素点(x，y)的灰度值小于255时，过饱和系数Mask
x,y,k
为1，否则为0。
[0015]优选地，所述相位对比度的计算公式为：
[0016][0017]其中，L为Laplace算子，P
x,y,k
为第k次曝光的像素点(x，y)的绝对相位值，σ为标准差。
[0018]优选地，所述对任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图，具体为：
[0019]根据多频外差原理，对任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图。
[0020]按照本专利技术的第二方面，提供了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，包括：
[0021]S1，向待测工件表面投射一组多频光栅条纹图像，通过单目相机同步获取在待测工件表面形成的条纹投影图；
[0022]S2，基于所述条纹投影图分别获取各频率下单目相机的相对相位图及任一频率下单目相机的调制度图；利用所述各频率下的相对相位图，对所述任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图；
[0023]S3，根据所述调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数；基于所述加权系数和所述绝对相位图中各像素点的绝对相位值，对各像素点进行相位加权，得到相位加权后的绝对相位图；
[0024]S4，对所述相位加权后的绝对相位图和所述光栅条纹图像的绝对相位图进行相位点匹配，重建三维点云。
[0025]按照本专利技术的第三方面，提供了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量系统，包括：
[0026]投影模块，用于向待测工件表面投射一组多频光栅条纹图像，通过左右相机同步获取在待测工件表面形成的条纹投影图；
[0027]处理模块，用于基于所述条纹投影图分别获取各频率下左右相机的相对相位图及任一频率下左右相机的调制度图；利用所述各频率下的相对相位图，对所述任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图；
[0028]加权模块，用于根据所述调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系
数，计算各像素点的加权系数；基于所述加权系数和所述绝对相位图中各像素点的绝对相位值，对各像素点进行相位加权，得到相位加权后的绝对相位图；
[0029]匹配模块，用对所述相位加权后的绝对相位图进行相位点匹配，重建三维点云。
[0030]按照本专利技术的第四方面，提供了一种基于相位加权融合的面结构光三维测量系统，包括：
[0031]投影模块，用于向待测工件表面投射一组多频光栅条纹图像，通过单目相机同步获取在待测工件表面形成的条纹投影图；
[0032]处理模块，用于基于所述条纹投影图分别获取各频率下单目相机的相对相位图及任一频率下单目相机的调制度图；利用所述各频率下的相对相位图，对所述任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图；
[0033]加权模块，用于根据所述调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数；基于所述加权系数和所述绝对相位图中各像素点的绝对相位值，对各像素点进行相位加权，得到相位加权后的绝对相位图；
[0034]匹配模块，用于对所述相位加权后的绝对相位图和所述光栅条纹图像的绝对相位图进行相位点匹配，重建三维点云。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，其特征在于，包括：S1，向待测工件表面投射一组多频光栅条纹图像，通过左右相机同步获取在待测工件表面形成的条纹投影图；S2，基于所述条纹投影图分别获取各频率下左右相机的相对相位图及任一频率下左右相机的调制度图；利用所述各频率下的相对相位图，对所述任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图；S3，根据所述调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数；基于所述加权系数和所述绝对相位图中各像素点的绝对相位值，对各像素点进行相位加权，得到相位加权后的绝对相位图；S4，对所述相位加权后的绝对相位图进行相位点匹配，重建三维点云。2.如权利要求1所述的基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，其特征在于，所述基于调制度图中各像素点的调制度、相位对比度及过饱和系数，计算各像素点的加权系数，具体为：其中，W
x,y,k
、C
x,y,k
、M
x,y,k
和Mask
x,y,k
分别表示第k次曝光的像素点(x，y)的加权系数、相位对比度、调制度和过饱和系数；ω
c
、ω
M
分别表示C
x,y,k
、Mask
x,y,k
的权重指数；当第k次曝光的像素点(x，y)的灰度值小于255时，过饱和系数Mask
x,y,k
为1，否则为0。3.如权利要求2所述的基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，其特征在于，所述相位对比度的计算公式为：其中，L为Laplace算子，P
x,y,k
为第k次曝光的像素点(x，y)的绝对相位值，σ为标准差。4.如权利要求1所述的基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，其特征在于，所述对任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图，具体为：根据多频外差原理，对任一频率下的相对相位图进行解相，获取绝对相位图。5.一种基于相位加权融合的面结构光三维测量方法，其特征在于，包括：S1，向待测工件表面投射一组多频光...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中伟，张攀，钟凯，王从军，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：