基于一维扫描结构光系统的三维重建方法及其相关组件

摘要

本发明公开了一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法及其相关组件。该方法包括：向平面标靶投射单方向的条纹，获取条纹图案；对成像装置的位置进行标定；建立成像装置坐标系，计算成像平面上的无畸变点与光心组成的射线与平面标靶的交点；根据交点与有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；采集被测物体的目标图像，计算目标图像的各绝对相位对应的映射系数，利用映射系数计算对应空间三维点坐标。本发明区别于传统投射正交图案，本发明通过向被测物体投射单方向条纹，得到目标图案，并查找目标图案的映射系数计算空间三维点坐标，适用于基于一维MEMS振镜的三维测量系统，有效提高了三维重建的精确度。

说明书

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法及其相关组件。

背景技术

三维测量系统在航天航空、工业检测、生物医学工程、逆向工程等领域发挥着重要的作用。其中，单目结构光三维测量系统是一种非接触式、高效且高精度的光学三维数字测量系统，通常由一个投影装置和一个成像装置组成。投影装置投影一组条纹图案到物体表面，成像装置采集经物体表面调制后的条纹图，一旦成像装置和投影装置被校准，根据三角测量法计算得到被测物体的三维坐标。单目结构光测量系统由于其测量精度高、测量速度快和测量普适性高而得到广泛应用。

传统的三维测量系统通常使用的投影装置为DLP(Digital LightProcessing，即为数字光处理)或LCD(Liquid Crystal Display，即为液晶显示器)，这种投影装置的尺寸较大，限制了它在众多应用中的方便性。随着MEMS(Micro Electro-Mechanical System，即微机电系统)技术的发展，其凭借着体积小、投影速度快、实时性好、成本低和系统结构紧凑等诸多优点在三维测量领域中广泛应用，由于MEMS投影装置不存在透镜，因此可实现大范围无失真的扫描。在单目结构光三维测量系统中，需要同时对投影装置和成像装置进行标定，对投影装置的标定则要求投影装置投射正交条纹，而对于基于一维MEMS振镜的三维测量系统而言，无法利用投影装置投射正交条纹，因此无法进行精确的三维重建，三维重建精度低。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法及其相关组件，旨在解决现有技术中基于一维MEMS振镜的三维测量系统无法精确进行三维重建的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法，包括：

利用投影装置向处于不同位置时的平面标靶投射单方向的条纹，并通过成像装置采集所述平面标靶在不同位置时的条纹图案；

基于所述成像装置采集的所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，通过标定算法对所述成像装置的位置进行标定；

以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，计算所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成的射线与所述平面标靶的交点；

计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；

利用投影装置向被测物体投射单方向的条纹，并通过所述成像装置采集所述被测物体的目标图像，计算所述目标图像的绝对相位分布图，在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于一维扫描结构光系统的三维重建装置，其包括：

条纹图案采集单元，用于利用投影装置向处于不同位置时的平面标靶投射单方向的条纹，并通过成像装置采集所述平面标靶在不同位置时的条纹图案；

成像装置标定单元，用于基于所述成像装置采集的所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，通过标定算法对所述成像装置的位置进行标定；

交点计算单元，用于以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，计算所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成的射线与所述平面标靶的交点；

映射系数查找表建立单元，用于计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；

空间三维点坐标获取单元，用于利用投影装置向被测物体投射单方向的条纹，并通过所述成像装置采集所述被测物体的目标图像，计算所述目标图像的绝对相位分布图，在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标。

第三方面，本发明实施例又提供了一种计算机设备，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行上述第一方面所述的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法。

本发明实施例提供了一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法及其相关组件。该方法包括：利用投影装置向处于不同位置时的平面标靶投射单方向的条纹，并通过成像装置采集所述平面标靶在不同位置时的条纹图案；基于所述成像装置采集的所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，通过标定算法对所述成像装置的位置进行标定；以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，计算所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成的射线与所述平面标靶的交点；计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；利用投影装置向被测物体投射单方向的条纹，并通过所述成像装置采集所述被测物体的目标图像，计算所述目标图像的绝对相位分布图，在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标。本发明实施例通过向被测物体投射单方向条纹，然后采集条纹图案，并根据条纹图案对应的绝对相位的映射系数计算对应的空间三维点坐标，区别于传统投射正交图案，本发明投射单方向条纹，适用于基于一维MEMS振镜的三维测量系统，有效提高了三维重建的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法的模拟图；

图3为本发明实施例提供的基于一维扫描结构光系统的三维重建装置的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种基于一维扫描结构光系统的三维重建方法的流程示意图，该方法包括步骤S101～S105。

S101、利用投影装置向处于不同位置时的平面标靶投射单方向的条纹，并通过成像装置采集所述平面标靶在不同位置时的条纹图案；

在本步骤中，投影装置向所述平面标靶投射单方向的条纹，成像装置采集平面标靶的条纹图案。所述投影装置可以是具有MEMS振镜的投影装置，也可以是具有DMD模块的投影装置。所述条纹图案的具体采集过程为：在测量空间内摆放平面标靶，然后利用投影装置投射单方向的条纹，在成像装置采集了条纹图案后，改变所述平面标靶的位置，重新向所述平面标靶投射单方向的条纹并采集当前位置的平面标靶的条纹图案，如此，不断改变所述平面标靶的位置，采集所述平面标靶在不同位置的条纹图案，直至所述条纹图案的数量达到预设阈值，则停止。

S102、基于所述成像装置采集的所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，通过标定算法对所述成像装置的位置进行标定；

在本步骤中，根据所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，利用张正友标定算法标定所述成像装置的位置。

S103、以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，计算所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成的射线与所述平面标靶的交点。

在本步骤中，如图2所示，在建立所述成像装置坐标系后，将所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成一射线，所述射线与所述平面标靶相交，交点为X

在一实施例中，所述以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，包括：

以所述成像装置的光心为原点，并以所述成像装置的光轴为Z轴，建立成像装置坐标系；

计算每个所述平面标靶在所述成像装置坐标系下的平面参数方程。

在本实施例中，如图2所示，建立以成像装置的光心为原点，光轴为Z轴的成像装置坐标系，平面参数方程的一般形式为A·X+B·Y+C·Z+D＝0，其中A,B,C,D为平面方程的系数。

在一具体实施例中，所述计算每个所述平面标靶在所述成像装置坐标系下的平面参数方程，包括：

利用公式Π

在本实施例中，在世界坐标系下所述平面标靶可表示为Π

S104、计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；

在本步骤中，根据所述成像装置采集的条纹图案计算所述平面标靶的绝对相位分布图，通过所述绝对相位分布图计算出所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，最后根据所述交点与所述绝对相位之间的多项式映射关系计算出映射系数，从而建立映射系数查找表。在实际测量过程中，成像装置在采集时往往会产生畸变，因此，在实际拍摄的条纹图案通常为有畸变点，所述无畸变点即为成像装置没有产生畸变时的点。所述无畸变点的标准相位即无外界影响下的理论上的相位，而实际采集过程中往往只能采集到的有畸变点的绝对相位。

在一实施例中，所述计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，包括：

计算每个所述交点在所述投影装置的虚拟像面中对应的像点p

将所述像点p

在本实施例中，如图2所示，m

在一实施例中，所述根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表，包括：

获取所述有畸变点在所述绝对相位分布图上的绝对相位φ

按如下公式计算多项式映射系数，并建立映射系数查找表：

其中，{a

在本实施例中，通过上述公式计算多项式映射系数{a

在一实施例中，所述公式按如下方式得到：

获取无畸变点与交点之间的线性映射关系f

获取无畸变点与有畸变点之间的多项式映射关系f

根据所述f

在本实施例中，通过无畸变点与交点之间的线性映射关系以及无畸变点与有畸变点之间的多项式映射关系，推导出所述有畸变点与所述交点之间的多项式映射关系。由于所述投影装置无透镜，因此，所述无畸变点与交点之间为线性映射关系f

S105、利用投影装置向被测物体投射单方向的条纹，并通过所述成像装置采集所述被测物体的目标图像，计算所述目标图像的绝对相位分布图，在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标。

在本步骤中，先获取被测物体的目标图像，然后计算出所述目标图像的绝对相位分布图后，找出所示目标图像的各绝对相位对应的映射洗漱，从而计算出对应的空间三位点坐标。

在一实施例中，所述在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标，包括：

获取所述被测物体的各点的绝对相位作为目标相位，在映射系数查找表查找所述目标相位对应的映射系数；

根据所述被测物体的目标相位和所述映射系数计算所述被测物体的空间三维点坐标。

在一实施例中，记所示被测物体的绝对相位分布图中的某一点的相位为目标相位，在所述映射系数查找表查找对应的映射系数，从而计算出空间三维点坐标。获取所述被测物体有畸变点的绝对相位，在所述映射系数查找表查找所述绝对相位对应的映射系数，即可通过公式直接求出对应点的空间三维点坐标。

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种基于一维扫描结构光系统的三维重建装置的示意性框图，该基于一维扫描结构光系统的三维重建装置200包括：

条纹图案采集单元201，用于利用投影装置向处于不同位置时的平面标靶投射单方向的条纹，并通过成像装置采集所述平面标靶在不同位置时的条纹图案；

成像装置标定单元202，用于基于所述成像装置采集的所述平面标靶在不同位置时的条纹图案，通过标定算法对所述成像装置的位置进行标定；

交点计算单元203，用于以所述成像装置的光心为原点建立成像装置坐标系，计算所述成像装置的成像平面上的无畸变点与所述成像装置的光心组成的射线与所述平面标靶的交点；

映射系数查找表建立单元204，用于计算所述平面标靶在不同位置时的绝对相位分布图，根据所述绝对相位分布图获取所述无畸变点对应的有畸变点的绝对相位，并根据所述交点与所述有畸变点的绝对相位之间的多项式映射关系计算多项式映射系数，建立映射系数查找表；

空间三维点坐标获取单元205，用于利用投影装置向被测物体投射单方向的条纹，并通过所述成像装置采集所述被测物体的目标图像，计算所述目标图像的绝对相位分布图，在所述映射系数查找表中查找所述目标图像的绝对相位分布图中各绝对相位对应的映射系数，利用所述映射系数计算得到对应的空间三维点坐标。

在一实施例中，所述交点计算单元203包括：

成像装置坐标系建立单元，用于以所述成像装置的光心为原点，并以所述成像装置的光轴为Z轴，建立成像装置坐标系；

平面参数方程计算单元，用于计算每个所述平面标靶在所述成像装置坐标系下的平面参数方程。

在一实施例中，所述平面参数方程计算单元包括：

平面标靶坐标表达式获取单元，用于利用公式Π

在一实施例中，所述映射系数查找表建立单元204包括：

像点计算单元，用于计算每个所述交点在所述投影装置的虚拟像面中对应的像点p

绝对相位分布图构建单元，用于将所述像点p

在一实施例中，所述映射系数查找表建立单元204包括：

绝对相位获取单元，用于获取所述有畸变点在所述绝对相位分布图上的绝对相位φ

公式计算单元，用于按如下公式计算多项式映射系数，并建立映射系数查找表：

其中，{a

在一实施例中，所述公式计算单元包括：

线性映射关系获取单元，用于获取无畸变点与交点之间的线性映射关系fL；

第一多项式映射关系获取单元，用于获取无畸变点与有畸变点之间的多项式映射关系fP；

第二多项式映射关系获取单元，用于根据所述fL与fP得到所述有畸变点与所述交点之间的多项式映射关系。

在一实施例中，所述空间三维点坐标获取单元205包括：

被测物体映射系数获取单元，用于获取所述被测物体的各点的绝对相位作为目标相位，在映射系数查找表查找所述目标相位对应的映射系数；

空间三维点坐标计算单元，用于根据所述被测物体的目标相位和所述映射系数计算所述被测物体的空间三维点坐标。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于一维扫描结构光系统的三维重建方法。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。