一种基于偏振结构光的快速三维重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于偏振结构光的快速三维重建方法，包括如下步骤：一、通过投影仪将绿图和蓝图先后投射到被测物体上，得到三维重建系统的先验参数；二、通过投影仪将蓝绿混色条纹图离焦投射到被测物体上，捕获得到形变相移正弦条纹图案；三、利用先验参数对捕获的形变相移正弦条纹图案进行校正，得到校正后的双频正弦条纹图像；四、通过相移和双频法相位展开获得绝对相位，根据绝对相位和系统标定参数对被测物体进行三维重建。本发明专利技术使用偏振相机，通过偏振编码方案使得偏振相机一帧可以同时捕获双频条纹图案，同时根据马吕斯定律构建投影光在系统中的传播模型，对捕获的双频条纹图案进行校正，有效提高了绝对相位和三维重建的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振结构光的快速三维重建方法


[0001]本专利技术涉及一种基于偏振结构光的快速三维重建方法，属于光学测量


技术介绍

[0002]条纹投影轮廓术（FPP）是目前最流行的一种非接触式三维测量方法，具有设备简单、测量精度高、效率高等优点。FPP通常由一个投影、一个或多个摄像机和一个处理单元组成。在测量三维信息时，由投影仪投影并经目标表面调制的形变条纹图案图像被摄像机捕获。然后根据预先标定的系统参数和摄像机与投影仪之间的三角测量方法，利用这些图像得到的相位分布重建目标的三维信息。在整个过程中，根据N步相移算法计算不包裹相位需要不少于3张移相正弦条纹图像，其范围为至，有着周期为2的不连续性。在相位展开方面，空间相位展开（Spatial Phase Unwrap, 简称SPU）的特点是效率高，不需要额外的投图，但鲁棒性较差，对场景的要求高，适用性弱。与SPU相比，时序相位展开（Temporal Phase Unwrapping，简称TPU）利用额外的投图来展开相位，如多频法、格雷码等，这导致投影图片的时间较长，但更实用。
[0003]为了提高TPU的效率，一种可取的方法是减少投影图案的数量。近些年来，世界各地的研究人员开发了几种基于随机图案的立体匹配算法，这些算法只使用一个随机图案来展开相位，而不是使用许多额外的投图。此外，在过去的十年中，国内外研究人员已经提出了与几何约束相关TPU方法，而不投射任何额外的图案。有的是利用额外的硬件组件来几何约束条纹的级次，有的是通过传统的数字条纹投影（DFP）系统使用最小相位法。此外，还有一些基于彩色相机的TPU方法。这些方法通常利用一台彩色相机在一帧内的三个颜色通道（R,G,B）来计算绝对相位分布，这使得测量速度比大多数TPU方法要快，但存在颜色串扰和颜色滤波器等不可避免硬件误差。
[0004]偏振作为光的基本特性之一，已被广泛应用于水下图像恢复、三维法向梯度场重建、透明物体识别、结构光编码等光学领域。除了光强之外，偏振还可以作为光调制的额外信息通道。如果能很好地利用一台偏振相机拍摄的四幅不同偏振角度的画面，将大大提高投影的整体速度。研究人员曾利用空间光调制器（SLM）和偏振相机调制的彩色结构偏振模式，实现了高精度的快速三维轮廓测量。但由于设备和光路复杂，该方法成本昂贵，且轴向色差较大。根据菲涅耳折反射定律，线偏振光经过物体表面反射后会受物体表面调制，进而引起偏振态的改变，所以偏振在结构光编码这一领域内的应用一直受限于被测场景物体的保偏程度，这个与物体材质与物体表面均匀程度有关。
[0005]总之，TPU具备高精度，高鲁棒性的同时需要投影额外的图案，这将大大影响整体测量效率。而偏振相机一帧可以在四个通道里分别成像的性质将在提升TPU方案效率上具备优秀的使用潜力，但将偏振相机引入FPP仍有许多局限性，比如目标场景物体的保偏程度。
[0006]因此，需要一种新的基于偏振结构光的快速三维重建方法以解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于偏振结构光的快速三维重建方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]一种基于偏振结构光的快速三维重建方法，采用三维重建系统，所述三维重建系统包括偏振相机和投影仪，所述偏振相机和投影仪均正对被测物体，包括如下步骤：一、通过所述投影仪将绿图和蓝图先后投射到被测物体上，并通过所述偏振相机在偏振模式下四个通道捕获的图案计算得到三维重建系统的先验参数；二、通过所述投影仪将蓝绿混色条纹图离焦投射到所述被测物体上，并通过所述偏振相机在偏振模式下四个通道捕获从所述被测物体表面反射的形变相移正弦条纹图案；三、利用步骤一获得的先验参数对步骤二中捕获的形变相移正弦条纹图案进行校正，得到校正后的双频正弦条纹图像；四、校正后的图案即N步相移正弦图案，通过相移和双频法相位展开获得绝对相位，根据所述绝对相位和系统标定参数对所述被测物体进行三维重建。
[0009]更进一步的，所述步骤一中投影绿图时偏振相机的四个通道捕获的图案的强度通过下列方程组表示：
[0010]式中，0
°
，45
°
，90
°
和135
°
表示偏振相机的四个通道，表示偏振相机对绿光的量子效率，表示经由被测物体反射后绿光的总强度：包括退偏成自然光的部分和仍保持原偏振方向的线偏振光部分，表示经由物体反射后仍保持原偏振状态的绿光比例，表示投影仪绿光的偏振方向和偏振相机0
°
通道的夹角；利用此方程组得到的最小二乘解；所述步骤一中投影蓝图时偏振相机的四个通道捕获的图案的强度下列方程组表示：；式中，0
°
，45
°
，90
°
和135
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表示偏振相机的四个通道，表示偏振相机对蓝光的量子效率，表示经由被测物体反射后蓝光的总强度：包括退偏成自然光的部分和仍保持原偏振方向的线偏振光部分，表示经由物体反射后仍保持原偏振状态的蓝光比例，表示投影仪蓝光的偏振方向和偏振相机0
°
通道的夹角；利用此方程组得到 的最
小二乘解；其中， 和
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的最小二乘解即为三维重建系统的先验参数。
[0011]更进一步，步骤三中可通过下式对捕获的条纹图案进行校正： ；式中，和分别表示校正后的绿色正弦条纹案像和蓝色正弦条纹图案，分别对应两种频率的条纹，和即为三维重建系统的先验参数，和分别表示在偏振相机的0
°
和90
°
通道捕获的形变相移正弦条纹图案。
[0012]更进一步，所述步骤四中的绝对相位由包裹相位和条纹级次共同解得并通过下式表示：式中，表示条纹级次，表示包裹相位；其中，通过下式表示：；式中，表示相移的步数，表示相移总步数，表示相机的像素坐标，表示相移量，其中，的范围为表示受物体表面调制后被相机捕获的形变条纹图案；通过下式表示：式中，表示等效频率的条纹图的包裹相位，和分别表示高频条纹图和低频条纹图对应的包裹相位，表示等效频率条纹图的条纹周期，表示高频条纹图的条纹周期；通过下式表示：式中，和分别表示高频条纹图案和低频条纹图案对应的包裹相位；
通过下式表示：；式中，表示低频条纹图的条纹周期，表示高频条纹图案的条纹周期。
[0013]更进一步，。
[0014]更进一步，步骤一中所述绿图的每个像素值均为[0 217 0]，所述蓝图的每个像素值均为[0 0 255]。使得相机对同一曝光下的蓝绿光响应强度相近。
[0015]更进一步，步骤二中所述蓝绿混色条纹图的每个像素的红色通道均为0。
[0016]更进一步，所述投影仪为输出蓝光和绿光的偏振方向垂直的LCD投影仪。
[0017]有益效果：本专利技术的基于偏振结构光的快速三维重建方法使用偏振相机，通过偏振编码方案使得偏振相机一帧可以同时捕获双频条纹图案，同时根据马吕斯定律构建投影光在系统中的传播模型，对捕获的双频条纹图案进行校正，有效提高了绝对相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振结构光的快速三维重建方法，其特征在于，采用三维重建系统，所述三维重建系统包括偏振相机和投影仪，所述偏振相机和投影仪均正对被测物体，包括如下步骤：一、通过所述投影仪将绿图和蓝图先后投射到被测物体上，并通过所述偏振相机在偏振模式下四个通道捕获的图案计算得到三维重建系统的先验参数；二、通过所述投影仪将蓝绿混色条纹图离焦投射到所述被测物体上，并通过所述偏振相机在偏振模式下四个通道捕获从所述被测物体表面反射的形变相移正弦条纹图案；三、利用步骤一获得的先验参数对步骤二中捕获的形变相移正弦条纹图案进行校正，得到校正后的双频正弦条纹图像；四、校正后的图案即N步相移正弦图案，通过相移和双频法相位展开获得绝对相位，根据所述绝对相位和系统标定参数对所述被测物体进行三维重建。2.根据权利要求1所述的基于偏振结构光的快速三维重建方法，其特征在于：所述步骤一中投影绿图时偏振相机的四个通道捕获的图案的强度为：；式中，0
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，45
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和135
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表示偏振相机的四个通道， 表示偏振相机对绿光的量子效率，表示经由被测物体反射后绿光的总强度：包括退偏成自然光的部分和仍保持原偏振方向的线偏振光部分， 表示经由物体反射后仍保持原偏振状态的绿光比例，表示投影仪绿光的偏振方向和偏振相机0
°
通道的夹角；利用此方程组得到
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最小二乘解；所述步骤一中投影蓝图时偏振相机的四个通道捕获的图案的强度为：；式中，0
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，45
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，90
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和135
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表示偏振相机的四个通道，表示偏振相机对蓝光的量子效率，表示经由被测物体反射后蓝光的总强度：包括退偏成自然光的部分和仍保持原偏振方向的线偏振光部分，表示经由物体反射后仍保持原偏振状态的蓝光比例，表示投影仪蓝光的偏振方向和偏振相机0
°
通道的夹角；利用此方程组得到 的最小二乘解；其中， 和
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的最小二乘解即为三维重建系统的先验参数。
3.根据权利要求1所述的基于偏振结构光的快速三维重建方法，其特征在于：步骤二中通过所述偏振相机在偏振模式下四个通道捕获的从所述被测物体表面反射的形变相移正弦条纹图案
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑东亮，柳畅，于浩天，韩静，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：