本发明专利技术涉及光学三维测量技术领域，公开了基于相位融合的大深度范围三维测量方法、系统及装置。本发明专利技术基于多个不同条纹宽度的高频二值条纹图案、一个中频二值条纹图案和一个低频二值条纹图案形成对应的正弦条纹，并投射至待测物体，采集被待测物体高度调制变形后的正弦条纹，并计算所采集的正弦条纹的包裹相位，根据包裹相位确定高频正弦条纹的绝对相位，并基于离焦度计算高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，根据相位误差从得到的绝对相位中确定最优绝对相位，用于进行大深度范围的三维测量。本发明专利技术有利于提高绝对相位的计算精度，减少因离焦度不合适而导致的相位误差，有效实现大深度范围的三维测量。现大深度范围的三维测量。现大深度范围的三维测量。
【技术实现步骤摘要】
基于相位融合的大深度范围三维测量方法、系统及装置
[0001]本专利技术涉及光学三维测量
，尤其涉及基于相位融合的大深度范围三维测量方法、系统及装置。
技术介绍
[0002]结构光三维测量技术是目前三维测量领域中的研究重点。结构光三维测量技术主要是将结构光投射到被测物体上，通过结构光的变形来确定被测物的尺寸参数。目前大部分的结构光三维测量系统采用二值条纹离焦投影技术。
[0003]二值条纹离焦投影技术，其原理是利用离焦效应把二值条纹模糊成标准的正弦条纹。二值条纹离焦程度过度或不足均会导致包裹相位误差增大。离焦度会随着与焦平面之间的距离的增大而增大，因此大景深测量中会存在离焦度不合适的情况，相位误差大。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了基于相位融合的大深度范围三维测量方法、系统及装置，解决了目前基于二值条纹离焦投影技术的结构光三维测量系统难以实现大深度范围的三维测量的技术问题。
[0005]本专利技术第一方面提供一种基于相位融合的大深度范围三维测量方法，包括：生成待投影图案集，所述待投影图案集包括多个不同条纹宽度的高频二值条纹图案、一个中频二值条纹图案和一个低频二值条纹图案；对所述待投影图案集中的每个图案进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测物体；采集被待测物体高度调制变形后的正弦条纹，采用N步相移法对采集的正弦条纹进行相位解调，得到不同频率的正弦条纹的包裹相位，并利用多频外差方法进行解包裹以获取高频正弦条纹的绝对相位；根据不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度计算离焦度，根据计算得到的离焦度估计对应的高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差；根据所述高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，从获取的高频正弦条纹的绝对相位中选择一个绝对相位作为最优绝对相位；根据所述最优绝对相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。
[0006]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述对所述待投影图案集中的每个图案进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测物体，包括：引入调制度衰减系数，使离焦调制形成的正弦条纹为：
式中，表示图案序号，表示对所述待投影图案集中第个图案进行离焦调制所形成的正弦条纹，为图案像素坐标，为调制度衰减系数，为所述待投影图案集中图案的灰度最大值，为余弦级数序号，为调制相位，为相移参数。
[0007]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述引入调制度衰减系数，包括：设置调制度衰减系数与离焦度的关系为：式中，为离焦度，其值为点扩散函数的标准差，为当前进行离焦调制的图案的条纹宽度。
[0008]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述采用步相移法对采集的正弦条纹进行相位解调，得到不同频率的正弦条纹的包裹相位，包括：根据下式求解不同频率的正弦条纹的包裹相位：式中，为投影的图案数量，为相移参数，为图案序号，表示正弦条纹，为正弦条纹的包裹相位。
[0009]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述利用多频外差方法进行解包裹以获取高频正弦条纹的绝对相位，包括：根据下式求解高频正弦条纹的绝对相位：式中，表示经过多频外差方法得到的第个高频正弦条纹的绝对相位，为基于多频外差方法的解包裹函数，为第个高频正弦条纹的包裹相位，为中频正弦条纹的包裹相位，为低频正弦条纹的包裹相位，为高频正弦条纹的数量，与待投影图案集中高频二值条纹图案的数量对应。
[0010]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述根据不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度计算离焦度，包括：按照下式计算不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度：式中，表示图案的条纹宽度，表示高频二值条纹图案的调制度，为谐波信号的响应量，为高频二值条纹图案的调制度衰减系数；根据下列的调制度与离焦度的关系式计算离焦度：
式中，、、分别表示待投影图案集中第一个、第个、第个高频二值条纹图案的条纹宽度，为待投影图案集中高频二值条纹图案的数量，、、分别对应第一个、第个、第个高频二值条纹图案的调制度，为离焦度。
[0011]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述根据计算得到的离焦度估计对应的高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，包括：按照下式估计对应的高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差：式中，表示估计的正弦条纹在条纹宽度为下的相位误差，为投影的图案数量，为随机噪声的方差值，表示求解与2的最小公倍数，为条纹宽度为的高频二值条纹图案的调制度衰减系数。
[0012]根据本专利技术第一方面的一种能够实现的方式，所述根据所述高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，从获取的高频正弦条纹的绝对相位中选择一个绝对相位作为最优绝对相位，包括：从获取的高频正弦条纹的绝对相位中，选择与最小相位误差对应的绝对相位作为最优绝对相位。
[0013]本专利技术第二方面提供一种基于相位融合的大深度范围三维测量系统，其特征在于，包括：图案生成模块，用于生成待投影图案集，所述待投影图案集包括多个不同条纹宽度的高频二值条纹图案、一个中频二值条纹图案和一个低频二值条纹图案；成像镜头，用于对所述待投影图案集中的每个图案进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测物体；相机镜头，用于采集被待测物体高度调制变形后的正弦条纹；测量模块，用于采用步相移法对所述相机镜头采集的正弦条纹进行相位解调，得到不同频率的正弦条纹的包裹相位，并利用多频外差方法进行解包裹以获取高频正弦条纹的绝对相位；根据不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度计算离焦度，根据计算得
到的离焦度估计对应的高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差；根据所述高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，从获取的高频正弦条纹的绝对相位中选择一个绝对相位作为最优绝对相位；根据所述最优绝对相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。
[0014]根据本专利技术第二方面的一种能够实现的方式，所述成像镜头具体用于：引入调制度衰减系数，使离焦调制形成的正弦条纹为：式中，表示图案序号，表示对所述待投影图案集中第个图案进行离焦调制所形成的正弦条纹，为图案像素坐标，为调制度衰减系数，为所述待投影图案集中图案的灰度最大值，为余弦级数序号，为调制相位，为相移参数。
[0015]根据本专利技术第二方面的一种能够实现的方式，所述成像镜头引入调制度衰减系数时，具体用于：设置调制度衰减系数与离焦度的关系为：式中，为离焦度，其值为点扩散函数的标准差，为当前进行离焦调制的图案的条纹宽度。
[0016]根据本专利技术第二方面的一种能够实现的方式，所述测量模块包括：包裹相位求解单元，用于根据下式求解不同频率的正弦条纹的包裹相位：式中，为投影的图案数量，为相移参数，为图案序号，表示正弦条纹，为正弦条纹的包裹相位。
[0017]根据本专利技术第二方面的一种能够实现的方式，所述测量模块还包括：绝对相位求解单元，用于根据下式求解高频正弦条纹的绝对相位：式中，表示经过多频外差方法得到的第个高频正弦条纹的绝对相位，为基于多频外差方法的解包裹函数，为第个高本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，包括：生成待投影图案集，所述待投影图案集包括多个不同条纹宽度的高频二值条纹图案、一个中频二值条纹图案和一个低频二值条纹图案；对所述待投影图案集中的每个图案进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测物体；采集被待测物体高度调制变形后的正弦条纹，采用N步相移法对采集的正弦条纹进行相位解调，得到不同频率的正弦条纹的包裹相位，并利用多频外差方法进行解包裹以获取高频正弦条纹的绝对相位；根据不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度计算离焦度，根据计算得到的离焦度估计对应的高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差；根据所述高频正弦条纹在不同条纹宽度下的相位误差，从获取的高频正弦条纹的绝对相位中选择一个绝对相位作为最优绝对相位；根据所述最优绝对相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。2.根据权利要求1所述的基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，所述对所述待投影图案集中的每个图案进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测物体，包括：引入调制度衰减系数，使离焦调制形成的正弦条纹为：式中，表示图案序号，表示对所述待投影图案集中第个图案进行离焦调制所形成的正弦条纹，为图案像素坐标，为调制度衰减系数，为所述待投影图案集中图案的灰度最大值，为余弦级数序号，为调制相位，为相移参数。3.根据权利要求2所述的基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，所述引入调制度衰减系数，包括：设置调制度衰减系数与离焦度的关系为：式中，为离焦度，其值为点扩散函数的标准差，为当前进行离焦调制的图案的条纹宽度。4.根据权利要求2所述的基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，所述采用N步相移法对采集的正弦条纹进行相位解调，得到不同频率的正弦条纹的包裹相位，包括：根据下式求解不同频率的正弦条纹的包裹相位：式中，为投影的图案数量，为相移参数，为图案序号，表示正弦条纹，为
正弦条纹的包裹相位。5.根据权利要求4所述的基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，所述利用多频外差方法进行解包裹以获取高频正弦条纹的绝对相位，包括：根据下式求解高频正弦条纹的绝对相位：式中，表示经过多频外差方法得到的第个高频正弦条纹的绝对相位，为基于多频外差方法的解包裹函数，为第 个高频正弦条纹的包裹相位，为中频正弦条纹的包裹相位，为低频正弦条纹的包裹相位，为高频正弦条纹的数量，与待投影图案集中高频二值条纹图案的数量对应。6.根据权利要求2所述的基于相位融合的大深度范围三维测量方法，其特征在于，所述根据不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度计算离焦度，包括：按照下式计算不同条纹宽度的高频二值条纹图案的调制度：式中，表示图案的条纹宽度，表示高频二值条纹图案的调制度，为谐波信号的响应量，为高频二值条纹图案的调制度衰减系数；根据下列的调制度与离焦度的关系式计算离焦度：式中，、、分别表示待投影图案集中第一个、第个、第个高频二值条纹图案的条纹宽度，为待投影图案集中高频二值条纹图案的数量，、、分别对应第一个、第个、第个高频二值条纹图案的调制度，为离焦度。7.根据权利要求6所述的基于相位融合的大深度范围三...
【专利技术属性】
技术研发人员：高健，郑卓鋆，张揽宇，邓海祥，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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