一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法

摘要

本发明公开了一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法，步骤包括：1)搭建结构光测量系统；2)对整个结构光测量系统进行标定；3)生成编码序列；4)合成内含有编码序列信息的四张相移投影光栅图像；5)将四张相移投影光栅图像投影到被测物体表面，采集经过被测物体表面调制变形后的四张条纹光栅图像；6)对四张条纹光栅图像进行解相，获得初始的包裹相位；7)调整初始包裹相位从而获得调整后的包裹相位和周期数；8)计算出绝对相位，进行三维重建；本发明可用于大多数传统相移三维测量方法中，能够实现减少投影图像数目的同时仍然具有该传统方法的精度和优势。

说明书

技术领域

本发明属于光学三维形貌测量技术领域，具体涉及一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法。

背景技术

在工业领域中，从产品的生产到装配，每个环节都需要对产品进行测量。而针对于大型设备、复杂工件，利用传统的检测方式进行测量，会消耗更多的时间和人力，并且不一定能够达到所需的精度要求。为了解决复杂形状表面轮廓尺寸的测量和提高测量精度等问题，三维测量技术由此受到了广泛应用。

三维测量技术一般分为接触式与非接触式测量，两种测量方式应用于不同的场合。相对于接触式测量，非接触测量具有速度快、不损伤工件等优势。而非接触式测量主要有激光三角法、结构光法、双目立体视觉等方式。其中结构光三维测量相较于其他非接触式测量具有更高的精度且实时性更强。

在结构光三维测量中，相移测量轮廓术具有广泛应用。其利用了小孔成像原理将投影仪投射到物体表面产生变形的结构光图像，根据相机与投影仪之间的坐标及相位关系求解得出三维信息，进而实现三维重建。由于目前工业上对测量速度的要求越来越高，该技术传统方法并不能满足高速测量的条件，传统的相移测量法(包括三频12步、三频4步及三频3步)在每次重建过程中，至少需要投射9幅光栅图才能够解出包括相位，进而获得三维信息，大量的投射图像限制了相移轮廓测量术在现代工业中高速、实时环境中的测量应用。

发明内容

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法，包括如下步骤：

1)搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机、投影仪、相机和被测物体。所述投影仪和相机可通信的连接于所述计算机。所述相机和投影仪分别布置在被测物体的前侧。

2)调整相机和投影仪的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，保存标定参数。

3)通过计算机生成总长度为L＝2

4)所述计算机合成内含有编码序列信息的四张相移投影光栅图像。具体地，所述计算机对于0码与1码，针对四步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹和1条纹，具体每级条纹形式如下：

式(1)中，n＝1,2,3,4，对应四步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W

根据步骤3)的编码序列信息设计投射的结构光栅图像，对每一步相移图像中的每一级条纹进行对应赋值，0码对应0条纹，1码对应1条纹，长度为L的序列对应T个条纹周期，最终合成为内含有序列信息的四张相移投影图像。

5)所述计算机将四张相移投影光栅图像输出至投影仪。所述投影仪将四张相移投影光栅图像投影到被测物体表面。所述相机采集经过被测物体表面调制变形后的四张条纹光栅图像，并输出至计算机。

6)所述计算机对四张条纹光栅图像进行解相，获得初始的包裹相位φ

式(2)中，I

7)所述计算机将初始包裹相位φ

8)所述计算机根据调整后的包裹相位φ

9)所述计算机通过绝对相位信息与步骤2)获得的标定参数计算被测物体表面点的三维坐标数据，完成被测物体的三维重建。

进一步，在步骤8)中，绝对相位Φ(x,y)计算公式如下：

Φ(x,y)＝φ

进一步，所述相机和投影仪的光轴相交，投影区域相互重叠，且被测物体正好位于相机和投影仪的公共视场内。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，对比传统相移测量轮廓术的有益效果在于：

1、本发明方法可用于大多数传统相移三维测量方法中，能够实现减少投影图像数目的同时仍然具有该传统方法的精度和优势。

2、本发明方法通过在传统条纹中引入编码序列，将传统相位展开方法中未利用的空间信息进一步利用，提高了效率。

3、本发明方法相比传统相移测量轮廓术更适合在高速环境中进行测量，能够更大化的利用相机与投影仪。

附图说明

图1为本发明的基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法的测量系统示意图；

图2为本发明的基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法的流程示意图；

图3为本发明的基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法所生成的条纹图像示意图；

图4为本发明的基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法所得到的初始包裹相位图。

图中：计算机1、投影仪2、相机3和被测物体4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法，，以常用的四步相移方法为例，参见图1和图2，包括如下步骤：

1)搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机1、投影仪2、相机3和被测物体4。所述投影仪2和相机3可通信的连接于所述计算机1。所述相机3和投影仪2分别布置在被测物体4的前侧，相机3和投影仪2的光轴相交，投影区域相互重叠，且所述被测物体4正好位于二者的公共视场内。

2)调整相机3和投影仪2的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，得到投影仪2-相机2系统的相位-三维坐标关系，并保存。

3)通过计算机1生成总长度为L＝2

4)所述计算机1合成内含有编码序列信息的四张相移投影光栅图像。具体地，所述计算机1对于0码与1码，针对四步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹和1条纹，具体每级条纹形式如下：

式(1)中，n＝1,2,3,4，对应四步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W

根据步骤3)的编码序列信息设计投射的结构光栅图像，对每一步相移图像中的每一级条纹进行对应赋值，0码对应0条纹，1码对应1条纹，长度为L的序列对应T个条纹周期，最终合成为内含有序列信息的四张相移投影图像I

5)所述计算机1将四张相移投影光栅图像输出至投影仪2。所述投影仪2将四张相移投影光栅图像投影到被测物体4表面。所述相机3采集经过被测物体4表面调制变形后的四张条纹光栅图像，并输出至计算机1进行储存。

6)所述计算机1对四张条纹光栅图像使用四步相移算法进行解相，获得初始的包裹相位φ

式(2)中，I

7)所述计算机1将初始包裹相位φ

8)所述计算机1根据调整后的包裹相位φ

Φ(x,y)＝φ

9)所述计算机1通过绝对相位信息与步骤2)获得的投影仪2-相机2系统的相位-三维坐标关系，计算被测物体4表面点的三维坐标数据，完成被测物体4的三维重建。

本实施例提供的一种基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法，通过生成一组包含有不同条纹宽度的编码序列信息的相移面结构光图像，用投影仪2投射到被测物体4上，根据传统解相算法对采集到的图像进行解相获取包裹相位，同时将拍摄图像中蕴含的序列信息提取出来与初始生成的序列进行对比，参考其空间信息以展开包裹相位，达到提高三维重建精度。

实施例2：

本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种基于条纹宽度调制的结构光编码方法，以常用的四步相移方法为例，参见图1和图2，包括如下步骤：

1)搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机1、投影仪2、相机3和被测物体4。所述投影仪2和相机3可通信的连接于所述计算机1。所述相机3和投影仪2分别布置在被测物体4的前侧。

2)调整相机3和投影仪2的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，得到投影仪2-相机2系统的相位-三维坐标关系，并保存。

3)通过计算机1生成总长度为L＝2

4)所述计算机1合成内含有编码序列信息的四张相移投影光栅图像。具体地，所述计算机1对于0码与1码，针对四步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹和1条纹，具体每级条纹形式如下：

式(1)中，n＝1,2,3,4，对应四步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W

根据步骤3)的编码序列信息设计投射的结构光栅图像，对每一步相移图像中的每一级条纹进行对应赋值，0码对应0条纹，1码对应1条纹，长度为L的序列对应T个条纹周期，最终合成为内含有序列信息的四张相移投影图像I

5)所述计算机1将四张相移投影光栅图像输出至投影仪2。所述投影仪2将四张相移投影光栅图像投影到被测物体4表面。所述相机3采集经过被测物体4表面调制变形后的四张条纹光栅图像，并输出至计算机1进行储存。

6)所述计算机1对四张条纹光栅图像使用四步相移算法进行解相，获得初始的包裹相位φ

式(2)中，I

7)所述计算机1将初始包裹相位φ

8)所述计算机1根据调整后的包裹相位φ

9)所述计算机1通过绝对相位信息与步骤2)获得的投影仪2-相机2系统的相位-三维坐标关系，计算被测物体4表面点的三维坐标数据，完成被测物体4的三维重建。

本实施例提供的一种基于条纹宽度调制序列的结构光编码方法，通过生成一组包含有不同条纹宽度的编码序列信息的相移面结构光图像，用投影仪2投射到被测物体4上，根据传统解相算法对采集到的图像进行解相获取包裹相位，同时将拍摄图像中蕴含的序列信息提取出来与初始生成的序列进行对比，参考其空间信息以展开包裹相位，达到提高三维重建精度。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤8)中，绝对相位Φ(x,y)计算公式如下：

Φ(x,y)＝φ

实施例4：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，所述相机3和投影仪2的光轴相交，投影区域相互重叠，且被测物体4正好位于相机3和投影仪2的公共视场内。