一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法技术

本发明专利技术公开一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法，包括如下步骤采用四步相移算法获取相位信息，并带入二次谐波与一次谐波比值中，获得包含伽马值的高次谐波分量比值；根据离散傅里叶变换获取谐波分量，一般伽马取值在0

【技术实现步骤摘要】
一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法


[0001]本专利技术涉及面结构光三维成像
，尤其涉及一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法。

技术介绍

[0002]面结构光三维成像技术具有结构简单、测量精度高、不需要接触被测物体等优点,近年来被广泛应用于工业在线检测、机器视觉、生物医学、地质勘探、计算机辅助设计与加工等领域。在栅线投影技术中，理想情况下需要相机采集到的条纹图像是正弦模式，注意这里是相机实际采集到的，而不是投影仪投影出来得。光栅投影技术是光学三维测量技术中为了简便化测量过程，最简单的就是直接去投影一组符合正弦规律的栅线图案出来，但是由于物体表面反射率分布不均匀所造成的误差，以及投影和摄像设备中的电子噪声和非线性失真，以及投影时的环境噪声等因素，都会导致所读取的光栅图像灰度分布不再为标准正弦波形，一定的非线性失真，需要进行误差补偿。
[0003]现有技术中常采有用的三种方式，进行误差补偿：
[0004]1)、采集多幅图像，对图像的灰度值进行分析，得到图像的伽马校正值，调制得到符合要求的投影图像，该方法在实际工程中影响执行效率；
[0005]2)、采集大量图像，得到图像的伽马校正值误差表，后续的投影图像通过查表法进行校正，该方法在更换被测物体之后需要重新得到误差表，不具有灵活性；
[0006]3)、通过神经网络算法，训练模型逼近图像的伽马校正值，进而调制投射图像，该方法本质上是优化算法一种，具有一定的优势，但是在逼近值的过程中，需要进行调参，以及需要采集大量图片，也缺少一定灵活性。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法，包括如下步骤：
[0010]通过投影仪向被测物体的表面投射条纹图像，相机采集变形条纹图像，利用最小二乘法拟合出误差，得到相位主值最小二乘解分析后，获得二次谐波与一次谐波比值；
[0011]采用四步相移算法获取相位信息，并带入二次谐波与一次谐波比值中，获得包含伽马值的高次谐波分量比值；
[0012]根据离散傅里叶变换获取谐波分量，一般伽马取值在0
‑
3之间，将不等于1的伽马值预先编码至条纹图像中，获得调制后的谐波分量，计算出投影仪投射条纹图像中每一个像素预先调制的伽马值；
[0013]将计算得到的预先调制的伽马值以及反射率加载至投影仪的投射条纹算法中，通过投影仪再投射M幅条纹图像，其中M不小于5，利用相机和投影仪灰度值建模和最小二乘法
逼近技术，获得投影仪投射条纹图像中每一个像素准确的伽马值并通过准确的伽马值对投影仪的原始条纹图像进行校正。
[0014]优选地，所述通过投影仪向被测物体的表面投射条纹图像，相机采集变形条纹图像，利用最小二乘法拟合出误差，得到相位主值最小二乘解分析后，得到二次谐波与一次谐波比值，具体包括如下步骤：
[0015]假设投影仪向被测物体的表面投射的条纹图像光强是标准正弦分布，则光栅图像表示为：
[0016][0017]其中，A
C
为图像平均灰度值，B
j
调制正弦灰度值，A
j
调制余弦灰度值，相位主值为则相位主值的最小二乘解为：
[0018][0019]其中，P为光栅图像的最高次谐波，实际测量系统中最多包含5次谐波，即P最高为5，因此至少需要七次相移才可以精确计算出相位主值，I
i
第i幅图像灰度值；
[0020]由于实际测量系统中，存在伽马非线性响应，引入了高阶谐波信息，使用伽马参数描述归一化的光栅图像为：
[0021][0022]其中，λ是投影仪的伽马值，x,y为像素坐标值，利用二次多项式进行展开，可知二次谐波与一次谐波比值为：
[0023][0024]通过该比值可以得出，|B
k
|＞|B
k+1
|，k为谐波分量的次数，谐波幅值随着k的增大而快速减小，投影仪投射出的条纹图像的高次谐波不会无限增加。
[0025]优选地，所述谐波分量可以表示为：
[0026][0027]式中，γ为伽马值，γ
′
为预先调制的伽马值，f0为特定像素频域值。
[0028]优选地，所述反射率的获取方法，包括如下步骤：
[0029]计算被测物体的双向反射分布函数；
[0030]进行多次测量并通过最小二乘法拟合归一化后，获得在特定亮度的被测物体的反射率。
[0031]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术光机采用DLP投影技术，该技术为了获得良好的投影亮度，使用大光圈镜头，导致光机投影景深较小，在此基础上产生了图像聚焦不一致，只有一小部分处于理想区域，大部分投影区域并不满足计算要求，需要进行伽马校正。同时CCD相机因为非线性响应特性，也会引起一定程度周期性误差，综合考虑上述情况提出了首先采集十幅条纹图像，利用自研算法分析误差大致走向，建立误差模型，进行误差补偿，其次再采集补偿后投射的七幅图像，利用最小二乘法逼近整体最优解，在此基础上，将所得伽马校正值调制到投射图像中，无需采集大量图片，且在实际工程中不影响正常执行操作，最终大幅缩小CCD相机采集到的图像误差。
附图说明
[0032]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0033]图1是一个实施例中一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法流程图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0035]如图1所示，本专利技术提供一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法，具体包括如下步骤：通过投影仪向被测物体的表面投射条纹图像，假设条纹图像光强是标准正弦分布，则其光强分布函数：
[0036][0037]其中，A
C
为图像平均灰度，为j次谐波幅值，P为最高谐波次数，δ
i
为相移，
[0038]为相位主值。
[0039]令并将其带入1
‑
1式，得：
[0040][0041]其中，为相位主值。
[0042]因此，根据理论拍摄图像与实际拍摄图像I
i
建立目标函数：
[0043][0044]当容易得知，最小二乘解如下：
[0045][0046]所以，上式当j的范围[2,P]时，有当j的范围是[1，P]时，有则，1
‑
4化简为：
[0047][0048]可知：
[0049][0050]同理，
[0051][0052]通过1
‑
6、1
‑
7以及可知，其中一个相位主值最小二乘解为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：通过投影仪向被测物体的表面投射条纹图像，相机采集变形条纹图像，利用最小二乘法拟合出误差，得到相位主值最小二乘解分析后，获得二次谐波与一次谐波比值；采用四步相移算法获取相位信息，并带入二次谐波与一次谐波比值中，获得包含伽马值的高次谐波分量比值；根据离散傅里叶变换获取谐波分量，一般伽马取值在0
‑
3之间，将不等于1的伽马值预先编码至条纹图像中，获得调制后的谐波分量，计算出投影仪投射条纹图像中每一个像素预先调制的伽马值；将计算得到的预先调制的伽马值以及反射率加载至投影仪的投射条纹算法中，通过投影仪再投射M幅条纹图像，其中M不小于5，利用相机和投影仪灰度值建模和最小二乘法逼近技术，获得投影仪投射条纹图像中每一个像素准确的伽马值并通过准确的伽马值对投影仪的原始条纹图像进行校正。2.根据权利要求1所述的一种面结构光三维成像技术中的相位非线性误差补偿方法，其特征在于，所述通过投影仪向被测物体的表面投射条纹图像，相机采集变形条纹图像，利用最小二乘法拟合出误差，得到相位主值最小二乘解分析后，得到二次谐波与一次谐波比值，具体包括如下步骤：假设投影仪向被测物体的表面投射的条纹图像光强是标准正弦分布，则光栅图像表示为：其中，A
C
为图像平均灰度值，B
j

【专利技术属性】
技术研发人员：熊雪晖，白立旺，翟东，李丁，
申请(专利权)人：苏州瑞威盛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：