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专利名称：一种高精度多波长三维测量方法
技术领域：
本发明涉及ー种高精度多波长三维重建方法，更具体的说，本发明所提供的三维重建方法，可以高精度的实现复杂场景中物体的三维重建。
背景技术：
三维重建方法已广泛应用于エ业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照成像照明方式的不同，光学三维测量技术可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。在主动三维測量技术中，结构光三维测量技术发展最为迅速，尤其是相位測量轮廓术(Phase MeasuringProf ilometry, PMP),也被称为相移测量轮廓术(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三维测量产品中常用的測量方法。相位測量方法是向被测物体上投射固定周期的按照三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀 相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最終完成ー个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。由于目前采集到的图像的幅面较大，为了提高相位精度，需要向被测物体投射多个周期的相位图，因此，在一副图像中，相同相位值会出现多次。为了在图像中获得唯一的相位值，格雷码方法是常用的辅助解相方法。目前出现的三维测量产品，普遍采用格雷码加相移的光学投射方法，如德国GOM公司的Atos-I型结构光三维测量系统、德国Steinbichler公司的COMMET系列结构光三维测量系统、德国Breuckmann公司的optoTOP系列结构光三维测量系统、北京天远三维科技有限公司的OKIO-II型三维扫描仪、上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪、天津世纪动カ光电科学仪器有限公司的CPOS三维扫描仪等。由于格雷码的编码方法主要靠图像的ニ值化来进行编码，因此对于复杂场景中的物体以及物体表面顔色变化较多的情况，一般需要喷涂显影剂才能实现较好的測量效果。外差多频方法是暨格雷码方法之后提出的一种改进的三维重建方法，可以避免格雷码仅仅使用ニ值化来进行阈值分割的情况。外差多频的原理是利用三种不同波长的相移光柵，两两叠加出一种更长波形的光栅，再利用两个叠加后的光柵，最终叠加出全场唯一的相位。该方法由于需要进行三次叠加运算，如果背景复杂的情况下，叠加的相位存在很大的误差，大大影响测量效果。因此，外差多频方法虽然比格雷码方法具有一定的优越性，但是在环境光较弱的情况下，会产生很多测量噪声，三维重建效果较差，因此外差多频方法仍然不能解决复杂场景情况下的高精度三维重建难题。为了解决复杂场景以及无法喷涂显影剂的三维重建难题，本发明设计了ー种新的三维重建方法，无需喷涂显影剂，就可以高精度的恢复复杂环境以及颜色变化较多的物体的三维形貌
发明内容
本发明提供一种基于相移光栅的多波长三维重建方法，该方法能够应用于高精度三维测量中，可以弥补格雷码和外差多频方法在三维重建过程中存在的缺陷。所述的多波长三维重建系统的硬件系统包括用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为LKXL。；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为CKXC。，相机个数为1-2个；用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台；
本发明所设计的三维重建方法，具体操作步骤如下步骤I :对于分辨率为LkX L。的光源投射装置，选择η个波长进行正弦或者余弦光信号的投射，如果相移光栅的投射方向为纵向，贝1J所选的波长中的第一个波长的长度X1 =Le ;如果相移光栅的投射方向为横向，则所选的波长中的第一个波长的长度为λ I = L。；第ニ个波长的长度为第一个波长长度的1/2，即λ2 = λ ノ2，第三个波长的长度为第二个波长长度的1/2，即λ3= λ 2/2，依次类推，直到第η个波长的长度λ η落入最佳三维重建波长范围，即15 ^ λ n ^ 30 ；步骤2 :对于每种波长的正弦波，投射超过3步的相移光栅(最好为3-8歩)，通过相移光栅投射在物体上的亮度值，计算该点(X，y)的局部相位值Φ (X，y)；步骤3 :计算第一个波长光信号所对应的全局相位O1U, y)，其值满足关系式O1(X^y) ^小“ん又パ设置计数变量匕并设定其初始值!^ =〗；步骤4 :通过下式获得其全局相位Φ,(Χ，y)C>k(x, y) = 2 π mk(x, y) + <i)k(x, y)(I)其中mた(x,y) = Round(~k-1-^-^ - ^·、Χ,立')k执行加I的运算，如果k值小于n，则执行步骤4，否则执行步骤5 ；步骤5 :对于波长最短的正弦信号λ n，利用其通过步骤4获得的最終全局相位φη(χ, y)和事先标定好的參数，利用下面公式获得图像中(X，y)点所对应的三维坐标(X，Y，Z)
r
X = xxRxY^yxRy(2)
^ Φ (χ,γ)χΣ
Φη(χ,γ) + 2π/0 其中D为投影光源与摄像机之间的距离；L为摄像机与參考平面的距离；f0为投影光源投射的正弦或者余弦信号波的频率；Rx图像在X轴方向相邻像素点的距离值；Ry图像在Y轴方向相邻像素点的距离值。至此，本发明所设计的三维重建方法结束。本发明的有益效果是通过本发明所介绍的三维重建方法，可以解决背景复杂以及物体表面顔色不一致的难题，无需喷涂显影剂，即可实现复杂颜色环境下的高精度三维測量，可以避免已有格雷码和外差多频方法，存在的有效测量信息丢失等測量缺陷。


图I :测量场景的照片；图2 :格雷码三维測量情况下采集到的用于重建的图片；图3 :外差多频情况下采集到的用于重建的图片；图4 :本发明所设计的多波长情况下采集到的用于重建的图片；图5 :测量效果对比图 (a)格雷码情况下三维测量效果图；(b)外差多频情况下三维测量效果图；(C)本发明所设计的多频率情况下三维测量效果图；图6 :本发明所设计的三维重建方法的流程图。
具体实施例方式本发明所提供的三维重建方式，是建立在相移光栅原理基础之上，但是与格雷码方法和外差多频方法存在很大的差别。相移光栅的原理是向被测物体投射周期变化的正弦或者余弦函数波，经过3步以上(最好4-8歩)的相移，通过采集到的相移光栅信息，解算出该点所对应的相位信息。从光源投射的正弦波形的变化规律如公式(I)所示/(X) = SinPTrxC^7+ ヌ))公式(I)其中I (X)为投射光强度；j :为周期因子，其值变化为0 PWPW:为周期长度；i :为步长因子，其值变化为0 NN :为相移的步数设相位值0 =相移量为パ=^·，则公式⑴可以表示为公式⑵I (X) = sin ( φ + δ )公式⑵在实际测量中，由于背景光的影响，实际釆集到的光亮度し的公式如公式(3)所示Ir(x) = a+bsin ( Φ + δ )公式(3)以三步相移为例，对于某一个像素点P，通过四次光投射，釆集到的图像灰度值Irpl、Irp2- Irp3 如公式(4)所示。Irpl = a+bsin ( Φ _2 π/3)Irp2 = a+bsinQ)公式(4)Irp3 = a+bsin ( φ +2 Ji /3)因此相位值Φ可通过公式(5)获得
权利要求
1.一种高精度多波长三维重建方法，本发明所述的三维重建方法可应用到如下的硬件系统中 用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为LKXL。； 用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机； 用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为CkX Cc，相机个数为1-2个； 用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台； 所述的高精度三维重建方法，其特征是，其操作步骤如下 步骤I :对于分辨率为LkX L。的光源投射装置，选择η个波长进行正弦或者余弦光信号的投射，如果相移光栅的投射方向为纵向，则所选的波长中的第一个波长的长度λ I = Lk ;如果相移光栅的投射方向为横向，则所选的波长中的第一个波长的长度为λ i = L。；第二个波长的长度为第一个波长长度的1/2，即λ2 = λ 72，第三个波长的长度为第二个波长长度的1/2，即λ3= λ 2/2，依次类推，直到第η个波长的长度λ η落入最佳三维重建波长范围，即15彡λ n ^ 30 ； 步骤2 :对于每种波长的正弦波，投射超过3步的相移光栅(最好为3-8步)，通过相移光栅投射在物体上的亮度值，计算该点(X，y)的局部相位值Φ (X，y)； 步骤3 :计算第一个波长光信号所对应的全局相位O1U, y)，其值满足关系式=O1U,y) ^ (X，y)，设置计数变量k，并设定其初始值k = 2 ; 步骤4 :通过下式获得其全局相位Φ,(Χ，y) cI3k(x^y) = 2 mk(x, γ) + Φ 5(χ, y)(I) 其中
全文摘要
本发明属于三维机器视觉领域，涉及一种高精度多波长三维重建方法。该方法通过投射λ1、λ2......λnn种波长的正弦或者余弦规律变化的光信息，每种光信息经过至少3步相移，最好3-8步。对于分辨率为LR×LC的光源投射装置，如果相移光栅的投射方向为纵向，则所选的波长中的第一个波长的长度λ1＝LR；如果相移光栅的投射方向为横向，则所选的波长中的第一个波长的长度为λ1＝LC；第二个波长的长度为第一个波长长度的1/2，即λ2＝λ1/2，第三个波长的长度为第二个波长长度的1/2，即λ3＝λ2/2，依次类推。通过本发明所设计的解相方法，可以获得每个波长的全局相位Φk(x，y)，k＝1-n，利用最终的Φn(x，y)，可以解算物体的高精度三维坐标。本发明所设计的三维重建方法，优于传统的格雷码和外差多频方法的三维重建方法，可以有效的解决三维测量中复杂场景以及被测物体表面颜色不一致的测量难题，无需喷涂显影剂，更加绿色环保。
文档编号G01B11/25GK102853783SQ201210344198
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者宋丽梅, 杨燕罡, 陈卓 申请人:天津工业大学