基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，通过投影两组高低频率的条纹图像，基于双目立体相位展开法，以两种频率的相位相似性度量为指导实现低频相位无歧义展开，进而恢复被测物绝对深度；然后仅使用单种频率的条纹图像，以上一时刻所测量的深度信息为依据，迅速纠正离群点云，确保快速、准确、高质量三维形貌测量的进行。本发明专利技术无需投影额外的辅助条纹图像，可通过三幅图像实现稳定相位展开，成像效率提高2/3；本发明专利技术利用高低频互补特性，以更少的相机视角实现了对动态场景的高精度的三维信息测量。场景的高精度的三维信息测量。场景的高精度的三维信息测量。

【技术实现步骤摘要】
基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法


[0001]本专利技术属于光学测量
，具体为一种基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法。

技术介绍

[0002]条纹投影轮廓术(FPP)是目前最为广泛使用的三维成像技术之一[J.Qian,S.Feng,T.Tao,Y.Hu,K.Liu,S.Wu,Q.Chen,and C.Zuo,“Highresolution real
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time 360
°
3D model reconstruction ofa handheld object with fringe projection profilometry,”Opt.Lett.44,5751
–
5754(2019).]。随着快速逆向建模、在线质量检测、智能制造等应用对三维传感技术提出更高的速度要求，如何高速度高精度重构出物体的三维信息成为当下的研究和工程热点。
[0003]相位展开是条纹投影轮廓术中的关键步骤[J.Qian,T.Tao,S.Feng,Q.Chen,and C.Zuo,“Motion
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artifact
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free dynamic 3D shape measurement with hybrid fourier
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transformphase
‑
shifting profilometry,”Opt.Express 27,2713
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2731(2019).]。传统的相位展开法为时间相位展开法[C.Zuo,L.Huang,M.Zhang,Q.Chen,and A.Asundi,“Temporal phase unwrapping algorithms for fringe projection profilometry:Acomparative review,”Opt.Lasers Eng.85,84
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103(2016).]，该方法通过不同时间轴上的唯一的条纹图像光强分布来逐像素确定条纹级次。但是，由于该方法需投影额外的不同频率辅助条纹图像(通常需至少投影三种不同频率的9幅三步相移条纹图像)，这降低了相位展开效率，增加了三维重构算法对物体运动的敏感程度，因此不适合对快速运动场景的测量。基于几何约束的立体相位展开法[T.Weise,B.Leibe,and L.Van Gool,“Fast 3D scanning with automatic motion compensation,”in 2007 IEEE Conference on ComputerVision and Pattern Recognition(IEEE,2007),pp.1
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8.]可以通过多台相机和一台投影机之间的空间位置关系解决相位模糊问题，而无需投影任何辅助图案。尽管需要比传统方法更多的相机(至少两个)，立体相位展开法的确使FPP的效率最大化。但是，传统立体相位展开法很难稳定展开包裹相位，这通常需要更多相机视角(4个)的辅助[T.Tao,Q.Chen,S.Feng,Y.Hu,M.Zhang,and C.Zuo,“High
‑
precision real time 3D shape measurement based on a quad
‑
camera system,”J.Opt.20,014009(2017).]，但这样的操作进一步增加了硬件成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，具体步骤为：
[0006]步骤1：搭建双目条纹投影轮廓系统，完成系统的标定；
[0007]步骤2：利用双目条纹投影轮廓系统投影6幅双频三步相移条纹图像，采用立体相
位展开法进行低频相位无歧义展开，恢复出物体三维形貌；
[0008]步骤3：根据获取的深度信息，利用自适应深度约束通过单个频率的条纹图像实现相位无歧义展开，恢复物体的三维形貌。
[0009]优选地，所述双目条纹投影轮廓系统包括一个投影仪和两个相机，两相机关于投影仪对称摆放，投影仪和相机之间用2根触发线相连接；利用张正友标定算法将整个系统标定到统一世界坐标系下，得到2个相机与1个投影仪的内参和外参，并将内参和外参转化为三维到二维、三维到二维的映射参数。
[0010]优选地，利用双目条纹投影轮廓系统投影6幅双频三步相移条纹图像，采用立体相位展开法进行低频相位无歧义展开，恢复出物体三维形貌的具体方法为：
[0011]步骤2.1：使用投影仪分别向被测物投影三幅高频三步相移条纹图像和三幅低频三步相移条纹图像，由两相机同步采集所投影的条纹图像，根据采集到的图像，获取包裹相位；
[0012]步骤2.2：根据映射参数确定相机1中任意一个像素点对应的三维候选点；
[0013]步骤2.3：寻找相机2中的二维候选点，通过相位相似性度量获取相机2中的匹配点；
[0014]步骤2.4：根据候选点获取物体绝对相位；
[0015]步骤2.5：在计算机GPU中并行地对相机1中的每个像素点执行步骤2.1～步骤2.4获取相机1视角下的被测物的低频绝对相位，通过步骤1中获得的标定参数重构出物体的三维形貌信息。
[0016]优选地，获取包裹相位的具体公式为：
[0017][0018][0019]式中，和分别表示高频条纹图像和低频条纹图像的包裹相位，表示相机1采集到的高频三步相移条纹图像中的第n幅，n∈[1,3]，上标中的c1表示相机1，h表示高频频率，表示相机1采集到的低频三步相移条纹图像中的第n幅，上标中的c1表示相机1，l表示低频频率。
[0020]优选地，寻找相机2中的二维候选点，通过相位相似性度量获取相机2中的匹配点的具体方法为：
[0021]通过步骤1中获得的映射参数将步骤2.2确定的三维候选点投影到相机2中获得对应的二维候选点；
[0022]对低频包裹相位和高频包裹相位进行相位一致性检验，将高频和低频包裹相位相似性均高于设定阈值的二维候选点选为匹配点。
[0023]优选地，物体绝对相位的计算公式为：
[0024][0025]式中，为相机1中候选点的低频绝对相位，k
i
为候选点对应的序号，
为点的低频包裹相位。
[0026]优选地，根据获取的深度信息，利用自适应深度约束通过单个频率的条纹图像实现相位无歧义展开，恢复物体的三维形貌的具体方法为：
[0027]步骤3.1：使用投影仪向被测物投影3幅高频率或者低频率的3步相移条纹图像，两相机同步采集所投影的条纹图像，获取高频包裹相位；
[0028]步骤3.2：寻找相机1中任意像素点对应的3D候选点，利用自适应深度约束排除错误候选点；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，其特征在于，具体步骤为：步骤1：搭建双目条纹投影轮廓系统，完成系统的标定；步骤2：利用双目条纹投影轮廓系统投影6幅双频三步相移条纹图像，采用立体相位展开法进行低频相位无歧义展开，恢复出物体三维形貌，所述三维形貌包括深度信息；步骤3：根据获取的深度信息，利用自适应深度约束通过单个频率的条纹图像实现相位无歧义展开，恢复物体的三维形貌。2.根据权利要求1所述的基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，其特征在于，所述双目条纹投影轮廓系统包括一个投影仪和两个相机，两相机关于投影仪对称摆放，投影仪和相机之间用2根触发线相连接；利用张正友标定算法将整个系统标定到统一世界坐标系下，得到2个相机与1个投影仪的内参和外参，并将内参和外参转化为三维到二维的映射参数。3.根据权利要求1所述的基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，其特征在于，利用双目条纹投影轮廓系统投影6幅双频三步相移条纹图像，采用立体相位展开法进行低频相位无歧义展开，恢复出物体三维形貌的具体方法为：步骤2.1：使用投影仪分别向被测物投影三幅高频三步相移条纹图像和三幅低频三步相移条纹图像，由两相机同步采集所投影的条纹图像，根据采集到的图像，获取包裹相位；步骤2.2：根据映射参数确定相机1中任意一个像素点对应的三维候选点；步骤2.3：寻找相机2中的二维候选点，通过相位相似性度量获取相机2中的匹配点；步骤2.4：根据候选点获取物体绝对相位；步骤2.5：在计算机GPU中并行地对相机1中的每个像素点执行步骤2.1～步骤2.4获取相机1视角下的被测物的低频绝对相位，通过步骤1中获得的标定参数重构出物体的三维形貌信息。4.根据权利要求3所述的基于条纹投影的双目双频互补三维面型测量方法，其特征在于，获取包裹相位的具体公式为：于，获取包裹相位的具体公式为：式中，和分别表示高频条纹图像和低频条纹图像的包裹相位，表示相机1采集到的高频三步相移条纹图像中的第n幅，n∈[1,3]，上标中的c1表示相机1，h表示高频频率，表示相机1采集到的低频三步相移条纹图像中的第n幅，上标中的c1表...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱佳铭，左超，陈钱，冯世杰，尹维，李艺璇，苗鈈元，杨苏皖，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：