一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法

摘要

本发明涉及一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法，通过计算机生成彩色正弦条纹图像，传输到投影仪投射到被测物表面，与投影仪互成一定角度的彩色工业相机进行采集带条纹图的被测物图像；然后对采集到的被测物图像利用相移法解算出相位图；再进行前景背景分割，得到部分背景信息，对其进行函数拟合，恢复出完整的背景相位图；最后通过前景与背景的相位差映射深度信息。与传统相移法相比，本发明无需单独采集若干张背景图像，而是利用函数拟合一步完成重构，减少了采集被测物图像数量的同时，直接跳过单独采集背景图像的步骤，实现灵活快速的三维面型重构。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测技术，涉及非接触式三维面型重构与测量技术领域，具体涉及一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法。

背景技术

立体视觉的发展越来越火热，对物体三维面貌的重构应用广泛，例如三维人脸识别，工件三维尺寸测量，医学影像中三维面型的观察等等。

目前三维重构技术中主要分为被动式和主动式两种。

其中，被动式三维重构为双目视觉技术，利用模拟人双眼来感知物体的深度，此方案对于表面缺少纹理的物体重构效果不够理想。主动式重构技术主要有结构光投影的方案。其中正弦条纹结构光方法利用相位与高度映射的方法可以达到比较高的重构精度，但是其缺点在于利用相移法需要最少拍摄6幅图像，而且必须要分开两步拍摄背景和前景，此操作大大影响重构效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法，通过拟合背景相位数据，在结构光投影三维重构中可以实现仅投射两次结构光图像便可快速完成重构的过程，并且此过程不需要单独采集背景图像的繁琐步骤。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法，包括以下步骤：

S1：搭建结构光投影三维重建系统；

S2：分别测量RGB工业相机光心与接收平面间的距离L，RGB工业相机光心与投影仪光心之间的距离D；

S3：投射结构光采集被测物图像I_obj1和I_obj2；

S4：对采集到的图像进行处理，完成三维面型重构。

进一步地，所述步骤S1搭建的结构光投影三维重建系统包括投影仪、RGB工业相机、计算机、光学平板以及接收平面；系统搭建时，将投影仪和相机分别固定在光学平板上，且二者光心轴线成一定角度，二者光心连线与接收平面保持平行。

进一步地，所述步骤S3投射结构光采集被测物图像I_obj1和I_obj2的具体过程如下：

由计算机生成四幅具有相同相位差的正弦条纹图案，利用彩色图像拥有RGB三通道的优势，把条纹图案分别输入到RGB三个通道里，使一张彩色图案带有四幅具有相同相位差的正弦条纹图；然后把该四幅正弦条纹图分为两组输入到两幅彩色图像的R和B通道；得到两幅彩色图像后，采用投影仪依次投射该两幅彩色条纹结构光到被测物表面，并采用RGB工业相机依次采集带条纹结构光的图像I_obj1和I_obj2。

进一步地，所述步骤S4对采集到的图像进行处理的具体步骤如下：

S4-1：利用四步相移法得到被测物包裹相位图，并解包裹得到被测物连续相位图unwrap_obj；

S4-2：在原始被测物图像I_obj1或I_obj2中，提取被测物ROI区域并分割出其最小外接矩形区域，并将此区域数据剔除，使得被测物连续相位图unwrap_obj中的被测物最小外接矩形区域内的数据全部为空，留下剩余背景相位信息，此时得到背景残缺相位图unwrap_subori；

S4-3：从中间将背景残缺相位图unwrap_subori分割为两部分，再对左右两部分分别按每N行分割为若干子区域；

S4-4：对所有子区域分别进行最小二乘法二元二次项拟合；

S4-5：把所有子区域拟合的结果拼接为完整的背景相位图；

S4-6：利用相位差高度映射公式计算被测物每一点的深度，得到其三维点云数据，完成三维面型重构。

进一步地，所述步骤S4-6中相位差高度映射，即为被测物相位减去背景相位，结合事先标定好的系统参数L，D和f，通过以下公式：

求得被测物深度信息；式中，L为已知RGB工业相机光心与接收平面间的距离；D为RGB工业相机光心与投影仪间的距离；f为生成条纹的频率。

与现有技术相比，本方案原理和优点如下：

1、目前使用相移技术进行三维重构的方案中，均需要分别采集大于等于三幅被测物图像和三幅背景图像，共至少六幅图像。本发明方案实现了只需采集大于等于两幅被测物图像，且无需单独采集背景图像就可进行三维面型重构，因此简化操作流程和减少采集时间，大大提高系统工作效率。

2、本发明方案由于不需要单独采集背景图像，所以不存在背景接收面发生拍摄前后位置移动而导致重构结果错误的问题，不用特定设置固定的接收平面，系统灵活性和适用性大大提高。

3、由于参考面不是严格平整，投影仪投射的条纹质量以及光照不是严格均匀等不可控因素的影响，实际的连续相位图必定不是理想的空间平面。通过把背景相位图按行分块为若干子区域再进行拟合得以提高拟合精度，使拟合的背景相位图更趋近真实分布，减小重构误差。

4、利用彩色图像RGB三通道的优势，一幅彩色条纹图像中最多可储存三幅灰度条纹图像的信息。考虑到三色通道之间的串扰影响，只在R和B通道储存正弦条纹信息，大大减小颜色串扰影响。与此同时，在利用四步相移技术的前提下，灰度条纹图需要投射四幅图像，而使用RB彩色图像只需投射两幅，即可解算连续相位图。

附图说明

图1为结构光投影系统示意图；

图2为背景相位图分块拟合示意图；

图3为本发明一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图3所示，本实施例所述的一种基于彩色条纹投影的三维面型一步重构方法，包括以下步骤：

S1：搭建结构光投影三维重建系统：

结构光投影三维重建系统如图1所示，包括投影仪、RGB工业相机、计算机、光学平板以及接收平面；系统搭建时，将投影仪和相机分别固定在光学平板上，且二者光心轴线成一定角度，二者光心连线与接收平面保持平行。

S2：系统搭建完成后，分别测量RGB工业相机光心与接收平面间的距离L，RGB工业相机光心与投影仪光心之间的距离D。

S3：投射结构光采集被测物图像I_obj1和I_obj2，具体步骤为：

由计算机生成四幅具有相同相位差的正弦条纹图案，利用彩色图像拥有RGB三通道的优势，把条纹图案分别输入到RGB三个通道里，如此一张彩色图案就可以带有3幅有相同相位差的正弦条纹图。考虑到RGB三个通道之间会产生串扰，影响后期采集的条纹图质量，所以本发明选择把四幅正弦条纹图分为两组输入到两幅彩色图像的R和B通道，减小串扰现象。例如：计算机生成四幅正弦条纹图案I1,I2,I3,I4,其相位依次为0，pi/2，pi，3pi/2，然后把I1和I2分别输入到彩色图像I_color1的R和B通道，把I3和I4分别输入到彩色图像I_color2的R和B通道。

得到I_color1和I_color2后，用投影仪依次投射这两幅彩色条纹结构光到被测物表面，用彩色工业相机依次采集带条纹结构光的图像I_obj1和I_obj2。

S4：对采集到的图像进行处理，具体过程如下：

S4-1：利用四步相移法得到被测物包裹相位图，并解包裹得到被测物连续相位图unwrap_obj；

S4-2：在原始被测物图像I_obj1或I_obj2中，提取被测物ROI区域并分割出其最小外接矩形区域，并将此区域数据剔除，使得被测物连续相位图unwrap_obj中的被测物最小外接矩形区域内的数据全部为空，留下剩余背景相位信息，此时得到背景残缺相位图unwrap_subori；

S4-3：如图2(a)所示，从中间将背景残缺相位图unwrap_subori分割为两部分，再对左右两部分分别按每N行分割为若干子区域；利用左半边图像数据拟合被测物左半部分数据，右半边图像数据拟合被测物右半部分数据。假设背景残缺相位图unwrap_subori共有N行，然后对左右两半部分图像分别按每n行分割为一块子区域，如图2(b)所示，整幅图像被分割为2N/n块子区域的数据。

S4-4：对所有子区域分别进行最小二乘法二元二次项拟合：

Z(x,y)＝p₀₀+p₁₀x+p₀₁y+p₂₀x²+p₁₁xy+p₀₂y²

式中，p₀₀，p₁₀,p₀₁,p₂₀,p₁₁,p₀₂表示拟合空间曲面方程的参数数值，得到确定的参数数值，就可确定相应的拟合空间曲面形状。

如图2(b)所示，即用黑色部分的已知数据拟合出白色部分的空白数据。

S4-5：把所有子区域拟合的结果拼接为完整的背景相位图unwrap_ori；

S4-6：利用相位差高度映射公式计算被测物每一点的深度，得到其三维点云数据，完成三维面型重构，具体过程如下：

已知RGB工业相机光心与接收平面间的距离L，RGB工业相机光心与投影仪间距离D，生成条纹的频率f，以及相位差表示为：

Δφ(x,y)＝unwrap_obj-unwrap_ori；

根据三角测量原理，相位差与被测物深度的映射关系可由下式表示：

由此便可得到物体的空间点云数据，完成三维面型重构。

本发明实施例只需采集大于等于两幅被测物图像，且无需单独采集背景图像就可进行三维面型重构，因此简化操作流程和减少采集时间，大大提高系统工作效率。另外，本发明实施例由于不需要单独采集背景图像，所以不存在背景接收面发生拍摄前后位置移动而导致重构结果错误的问题，不用特定设置固定的接收平面，系统灵活性和适用性大大提高。再者，由于参考面不是严格平整，投影仪投射的条纹质量以及光照不是严格均匀等不可控因素的影响，实际的连续相位图必定不是理想的空间平面，本发明实施例通过把背景相位图按行分块为若干子区域再进行拟合得以提高拟合精度，使拟合的背景相位图更趋近真实分布，减小重构误差。最后，考虑到三色通道之间的串扰影响，只在R和B通道储存正弦条纹信息，大大减小颜色串扰影响。与此同时，在利用四步相移技术的前提下，灰度条纹图需要投射四幅图像，而使用RB彩色图像只需投射两幅，即可解算连续相位图。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。