三维图像测量方法技术

本发明专利技术提供一种非接触三维图像测量方法。本发明专利技术使用投影仪(2)向被测物体(3)投射彩色调制和光强调制复合的投影光，该投影光经被测物体(3)反射后由数字照相机(4)拍摄并输入给计算机(1)，然后由计算机(1)进行图像处理，计算出被测物体(3)表面的三维信息，实现高速、高精度三维测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，具体地说，是ー种向被测物体投影经调制的条形结构光，利用数字照相机拍摄其反射图像，通过计算机算出其表面三維信息的三维图像測量方法。
技术介绍
三维图像測量是ー种非接触測量方法，它通过拍摄被测物体的图像，利用计算机图像分析，可以算出被测物体的表面三維信息，即物体表面各个测量点的三维坐标，从而可以计算出被测物体表面各个测量点之间的距离、表面积及体积。现有的三维图像测量技术可分为被动式和主动式两大类。被动式方法不向被测物体施加能量，只是被动的拍摄物体的图像，通过图像处理得到被测物体表面的三維信息，该 方法简单适用，可以测量静止物体或非静止物体，既可以测量毫米以下的微小物体，也可以測量几百米以上的大型物体。但是被动法的最大问题是，它无法測量没有表面特征的物体，或物体上没有特征的部分。为解决这ー问题，能动测量法被提出。能动测量法通过向被测物体投射光能等能量，并拍摄其反射图像，再通过图像处理算出被测物体表面的三維信息。图形光投影测量是能动法的最常用的方法。图形光投影法根据图形光的性质，又可分为两值化图形光投影法和非两值化投影法两大类。两值化图形光投影法所用的图形光投影的典型代表有点投影、线投影、结构光面投影等。通常为保证一定的測量精度，点投影须要投影数千次以上、线投影须要投影数十次以上、结构光面投影须要投影数次以上。即不论哪种投影方式，都需要多次投影。这不仅使得測量速度变慢，更重要的是无法測量非静止物体。非两值化投影方式是向物体投影彩色或光强不同的灰度图案。由于非两值化投影方式的一次投影可以获得比两值化投影更多的信息，所以，它可以減少投影次数、提高测量速度。參考文献I所示最优化强度调制结构光投影技术是目前国际上最为先进的非两值化投影方法之一，由于它只需要一次结构光投影，即可算出物体的表面三維信息，所以可以最大限度的減少投影次数，提高测量速度。如參考文献2所示，它不仅可以测量静止物体,也可以测量非静止物体。參考文献I :专利号ZL200580039510. 9(中国)，US 7，583，39I (美国)，JP4883517 (日本)申请人:福冈エ业大学专利技术人卢存伟參考文献2:申请号200880010126. X授权公告号CN 1010646919B申请人福冈エ业大学专利技术人卢存伟,长元气但是上述技术仍存在着ー个问题，即对于表面色彩或反射特性复杂的物体，由于反射光条纹的强度受物体表面色彩及反射特性的影响而发生变化，因而条纹检测精度受到限制，近而三维测量的精度也受到限制，也就是说尽管上述技术只使用一次投影便可以实现三维測量，但是对于表面色彩或反射特性复杂的物体无法获得更高的測量精度。
技术实现思路
为此，本专利技术的目的在于，提供一种，提高对投影条纹的识别精度和三维测量的測量精度，使得只是用一次结构光投影，便可获得高精度的三维测量。 为实现上述目的，本专利技术提出了结构光两重调制方式，第一重为彩色调制，第二重为光强调制。其中光强调制部分，可以实现參考文献I及2的功能，而彩色调制部分可以先将整个结构光空间分成3个子空间以扩大光强调制的精度。由于在使用光强调制之前先将投影光分成了 3个区域，而在各个区域中的条纹光强调制精度没有改变，所以使用本专利技术的技术比使用參考文献I及2的技术，在保持测量时间不变的前提之下，可以将测量精度提闻3倍ο在条纹式结构光投影三维测量技术中，条纹的识别特别是条纹的地址信息的判定是最重要的。条纹的识别精度及其地址信息的判定精度取决于各个条纹之间特别是相邻的条纹之间的强度差，该强度差越大条纹的识别精度及其地址信息的判定精度就越高。图I为强度调制投影光条纹的強度分布示意图，如果投影条纹的总数为15，我们可以将能够使用的条纹强度个数也设为15，这样各个条纹之间的强度差即为I。如果我们先将结构光空间分为三个子空间，然后在各个子空间同样投影15条条纹的话，尽管投影条纹的总数仍然为15，但是各个条纹之间的强度差将变为3，如图2所示，这样条纹的识别精度及其地址信息的判定精度就被扩大了 3倍。在这种情况下，在图像处理时，首先要正确地判定各个条纹所在的子空间，即正确判断某个条纹是属于哪个子空间，然后再识别该条纹的地址信息以获得正确的条纹信息，即需要得到哪个子空间、第几号条纹的双重信息。为解决子空间判别问题，本专利技术首先对投影光进行子空间划分，并对各个子空间进行彩色调制，即第一层次的调制。彩色调制的结果是生成一个基础投影光，在基础投影光中，分别为纯红色光子空间、纯绿色光子空间、纯蓝色光子空间；在纯红色光子空间中，R频道的投影光强度为非零，G和B频道的投影光强度为零；在纯绿色光子空间中，G频道的投影光强度为非零，R和B频道的投影光强度为零；在纯蓝色光子空间中，B频道的投影光强度为非零，G和R频道的投影光强度为零。基础投影光R，G，B三个频道中的非零子空间的投影光的强度值被称为投影光的基础光強。图3为彩色调制的基础投影光強度分布示意图，在子空间1，即纯红色光子空间，R频道的投影強度被赋予ー个非零的基础光強，G和B频道的投影強度值为最小值零；同样，在子空间2，即纯绿色光子空间，G频道的投影強度被赋予ー个非零的基础光強，R和B频道的投影強度值为最小值零；在子空间3，即纯蓝色光子空间，B频道的投影強度被赋予ー个非零的基础光強，R和G频道的投影強度值为最小值零。然后在各个子空间，我们分别对投影光的強度进行调制，即光强调制。图2为在3个子空间分别进行光强调制后的投影光強度分布的示意图。光强调制可以使用參考文献I及2的最优化强度调制技木，也可以使用线性强度调制或其他的调制方式。图8为ー种简单的线性光强调制的投影光強度分布示意图，在该调制方式中，共使用了 15个投影条纹，假设条纹的最小强度为15，最大强度为225，即15个条纹的強度在15到225之间线性变化，相邻的两个条纹间的强度差为15。如第一个条纹的强度为15，第二个条纹的强度为30，第三个条纹的强度为45等等。这样如果不考虑其它因素的影响，我们便可以根据条纹的光强，判断出其为第几个投影条纹。如我们检测到ー个强度为30的条纹，则我们就可以判断出其为第二个条纹。 最后将进行彩色调制和光强调制的复合调制，即将各个子空间的条纹的基础光强 和强度调制条纹的光强进行叠加，实现第二层次的调制。这样便可以得到如图4所示的两重调制投影光強度分布图。图5为本专利技术的系统结构框图。首先由计算机生成彩色调制基础投影光信息和光强调制条纹信息以及复合后的两重调制条纹信息，并将该两重调制条纹信息输出给投影仪，经投影仪将该两重投影光投影到被测物体上。然后，用数字照相机拍摄经物体反射后的两重调制投影光图像，输入给计算机。在计算机中，首先进行彩色解调，根据彩色调制信息将输入的图像进行子空间分类，得到各个条纹的子空间信息，然后再进行强度解调，在各个子空间根据强度调制信息检测出各个投影条纹的地址信息。这样根据两重解调，便可得到条纹的全部信息。最后根据得到的条纹信息，按照三角測量等公知的三维图像处理方法，计算出被测物体的表面的三維信息。本专利技术的效果(I)本专利技术使用投影仪、照相机和计算机等常用设备，利用彩色和光强两重调制结构光投影测量的方法，实现高速、高精度三维测量。(2)本专利技术的结构光首先通过彩色调制，将整个投本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维图像测量方法，包括使用经调制后的投影光向被测物体进行投影，并拍摄其反射光图像，经计算机图像处理得到被测物体表面的三維信息，其特征在于步骤如下 (1)子空间划分及彩色调制 通过彩色调制单元生成彩色调制的基础投影光，该基础投影光在空间上分成3个子空间，分别为纯红色光子空间、纯绿色光子空间、纯蓝色光子空间；在纯红色光子空间中，对R频道的投影强度赋予ー个非零的基础光強，G频道和B频道的投影強度值为最小值零；在纯緑色光子空间中，对G 频道的投影强度赋予ー个非零的基础光強，R频道和B频道的投影强度值为最小值零；在纯蓝色光子空间中，对B频道的投影强度赋予ー个非零的基础光強，R频道和G频道的投影強度值为最小值零； (2)光强调制 通过光强调制单元分别对步骤(I)所述的3个子空间的投影光进行光强调制产生光强调制投影光条纹强度； (3)光强调制和彩色调制复合 通过光强调制单元将步骤(I)所述的基础投影光的R，G，B三个频道中的非零子空间的投影光強度与步骤(2)所述的光强调制投影光条纹强度进行复合，生成两重调制投影光，并将该两重调制投影光信息输出给投影仪，经投影仪将该两重调制投影光投影到被测...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢存伟，
申请(专利权)人：苏州福拓信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：