一种基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法

摘要

本发明公开了一种基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法，步骤包括：1)搭建结构光测量系统；2)调整相机和投影仪的位置，保存标定参数；3)生成随机空间编码序列4)合成内含有空间编码序列信息的结构光光栅图；5)将结构光光栅图投射到被测物体表面，采集经被测物体反射的形变图像；6)将形变图像分割为多个区域，并计算出每一个区域内每一个像素的初始相位；7)获得各个区域的初始相位对应的周期数；8)计算出全场相位，完成被测物体的三维重建；本发明仅用一张投射光栅图且无需相移实现了三维测量，极大地减少了主动式光学三维测量中所需要的投射和采集的图片数量。

说明书

技术领域

本发明属于光学三维形貌测量技术领域，具体涉及一种基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，工业机器人、服务机器人等智能设备被要求能够很好地获取环境信息，更好的与环境交互，这一需求大大推动了三维测量技术的发展，目前三维测量技术在工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、虚拟现实等众多领域中具有广泛的应用。

三维测量技术根据测量设备是否直接与被测物体接触可分为：接触式与非接触式。非接触式又称光学测量，在效率、工作距离、测量成本等方面都要优于接触式测量。光学三维测量技术按照成像照明方式的不同可以分为被动测量和主动测量两种。被动测量无需结构光照明，直接从多个角度的二维图像中提取物体的三维信息。主动三维测量向被测物体投射结构光，通过拍摄并处理经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像，从而计算出被测物体的三维形貌数据。结构光可以分为点结构光、线结构光和面结构光，面结构光不需要扫描就可以实现三维轮廓测量，测量速度较快。传统的相移测量轮廓术(PhaseShifting Profilometry)方法的面结构光三维重建技术近年来成为视觉重建领域的研究热点。

现代工业对测量速度要求逐渐提高，传统的相移测量轮廓术，实现测量的过程通常需要投射不同频率的光栅图，且对于同一个频率，需要多次相移(如传统的3频4步需要三种不同频率的光栅图，每种频率又需要由不同相移生成的4张图像)，然而在计算三维信息时，起主要作用的是高频的光栅图，其他图像的作用是求解包裹相位。由于需要的图片数量较多，并不能很好的适应需要高速测量的场景。

发明内容

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法，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投影仪、被测物体、相机和计算机。所述相机和投影仪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)在所述计算机上生成一个随机空间编码序列，序列由0码与1码组成,序列总长度为L＝2

4)所述计算机合成内含有空间编码序列信息的结构光光栅图。

5)所述计算机通过投影仪将结构光光栅图投射到被测物体表面，通过相机采集经被测物体反射的形变图像，并输出至计算机。

6)通过搜索算法找出形变图像的光强分割阈值K

式(1)中，T(x,y)为对应区域内像素坐标(x,y)处的光强值，A为直流分量，B为振幅。若区域的光强值大于K

7)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)对应的光强中含有的空间编码序列信息与步骤4)中结构光光栅图的空间编码序列对比，从而获得各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n。

8)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)和各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n，计算出全场相位Φ

9)通过全场相位Φ

进一步，在步骤4)中，所述计算机合成内含有空间编码序列信息的结构光光栅图的过程中，所述计算机对于步骤3)中0码与1码，设计出对应的0条纹与1条纹，具体每级条纹形式如下：

式(2)中，T(x

进一步，在步骤8)中，全场相位Φ

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，且所述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，其相比传统相移测量轮廓术的优点：

1、本发明仅用一张投射光栅图且无需相移实现了三维测量，极大地减少了主动式光学三维测量中所需要的投射和采集的图片数量。

2、本发明方法通过使用空间编码序列有效的使用了连续条纹可被编码这一空间信息，从而避免了传统相移测量轮廓术中采用多频外插法求解全局相位而引入多余的图片。

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三维测量。

4、本发明方法使用光强阈值分割来生成编码信息，根据这个信息与空间编码序列相结合，编码了投射光栅图中所有条纹相对于图片的绝对位置，从而实现了单张投射光栅图的三维测量。

附图说明

图1为本发明的基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法的测量系统示意图；

图2为本发明的基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法的测量流程示意图；

图3为本发明的该基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法所生成的条纹图像示意图；

图4为本发明的基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法所得到的一个条纹光强曲线图及对应的光强阈值分割编码。

图中：投影仪1、被测物体2、相机3和计算机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空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法，空间序列以德布鲁因序列为例，搜索算法以大津算法为例，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投影仪1、被测物体2、相机3和计算机4。所述相机3和投影仪1可通信的连接于所述计算机4。所述相机3和投影仪1分别布置在被测物体2的前侧，相机3和投影仪1的光轴相交，投影区域相互重叠，且所述被测物体2正好位于二者的公共视场内。

2)调整相机3和投影仪1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，建立投影仪1-相机3的内外参数模型，即投影仪1-相机3的相位-三维坐标关系，并保存。

3)在所述计算机4上生成一个随机空间编码序列，本实施例中采用德布鲁因序列，序列由0码与1码组成,序列总长度为L＝2

4)所述计算机4对于步骤3)中0码与1码，设计出对应的0条纹与1条纹，具体光栅图中每级条纹形式如下：

式(1)中，T(x

根据前面所生成的空间编码序列，对光栅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的空间编码序列对应T个条纹周期，最终得到光强中包含空间编码序列信息的结构光光栅图I,参见图3。

5)所述计算机4通过投影仪1将结构光光栅图投射到被测物体2表面，通过相机3采集经被测物体2反射的形变图像，并输出至计算机4。

6)所述计算机4通过大津算法找出形变图像的光强分割阈值K

式(2)中，φ(x,y)为对应的区域内像素坐标(x,y)处相对于区域起点的相位，T(x,y)为对应区域内像素坐标(x,y)处的光强值，A为直流分量，B为振幅。若区域的光强值大于K

7)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)对应的光强中含有的空间编码序列信息与步骤4)中结构光光栅图的空间编码序列对比，从而获得各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n。

8)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)和各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n，计算出全场相位Φ

Φ

9)通过全场相位Φ

本实施例提供的基于空间编码序列及光强阈值分割的结构光编码方法，通过生成一张阈值分割后的光强中包含有空间编码序列信息的面结构光图像，然后用投影仪1将这张光栅图投射到被测物体2上。通过相机3采集到经被测物体2反射且被其调制后的变形图像，对变形图像进行处理，采用搜索算法找到一个阈值K

实施例2：

本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种基于空间序列及光强阈值分割的结构光编码方法，空间序列以德布鲁因序列为例，搜索算法以大津算法为例，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投影仪1、被测物体2、相机3和计算机4。所述相机3和投影仪1可通信的连接于所述计算机4。所述相机3和投影仪1分别布置在被测物体2的前侧，相机3和投影仪1的光轴相交，投影区域相互重叠，且所述被测物体2正好位于二者的公共视场内。

2)调整相机3和投影仪1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，建立投影仪1-相机3的内外参数模型，即投影仪1-相机3的相位-三维坐标关系，并保存。

3)在所述计算机4上生成一个随机空间编码序列，本实施例中采用德布鲁因序列，序列由0码与1码组成,序列总长度为L＝2

4)所述计算机4合成内含有空间编码序列信息的结构光光栅图,参见图3。

5)所述计算机4通过投影仪1将结构光光栅图投射到被测物体2表面，通过相机3采集经被测物体2反射的形变图像，并输出至计算机4。

6)所述计算机4通过大津算法找出形变图像的光强分割阈值K

式(1)中，φ(x,y)为对应的区域内像素坐标(x,y)处相对于区域起点的相位，T(x,y)为对应区域内像素坐标(x,y)处的光强值，A为直流分量，B为振幅。若区域的光强值大于K

7)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)对应的光强中含有的空间编码序列信息与步骤4)中结构光光栅图的空间编码序列对比，从而获得各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n。

8)根据每个区域解出的初始相位φ(x,y)和各个区域的初始相位φ(x,y)对应的周期数n，计算出全场相位Φ

9)通过全场相位Φ

本实施例提供的基于空间编码序列及光强阈值分割的结构光编码方法，通过生成一张阈值分割后的光强中包含有空间编码序列信息的面结构光图像，然后用投影仪1将这张光栅图投射到被测物体2上。通过相机3采集到经被测物体2反射且被其调制后的变形图像，对变形图像进行处理，采用搜索算法找到一个阈值K

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤4)中，所述计算机4合成内含有空间编码序列信息的结构光光栅图的过程中，所述计算机4对于步骤3)中0码与1码，设计出对应的0条纹与1条纹，具体每级条纹形式如下：

式(1)中，T(x

根据前面所生成的空间编码序列，对光栅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的空间编码序列对应T个条纹周期，最终得到光强中包含空间编码序列信息的结构光光栅图I。

实施例4：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤8)中，全场相位Φ

Φ