CN105066906A - 一种快速高动态范围三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种快速高动态范围三维测量方法，使用计算机生成四幅光栅条纹；分别在投影仪光轴和摄像机光轴上放置一块偏振镜，转动任意一块偏振镜，将投影仪光轴和摄像机光轴之间的夹角调节为90度；使用投影仪将生成的四幅光栅条纹投射至被测物，使用摄像机同步拍摄被测物反射生成的四幅条纹图像；对四幅条纹图像进行分析，获得高频包裹相位和低频相位；对高频包裹相位去包裹，获得高频去包裹后相位，根据去包裹后相位重建被测物体三维场景。本发明可以对动态场景实现高动态范围的三维测量。

Description

一种快速高动态范围三维测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种快速高动态范围三维测量方法。

背景技术

光学三维测量方法以非接触、高精度、易于实施等优点已日益成为人们获取三维轮廓数据的一种重要手段。根据照明方法的不同，通常将光学三维测量分成主动式和被动式的三维测量。被动式三维测量通过两个或者多个相机从不同角度对被测物进行拍摄，从获取的二维图像中恢复被测表面三维信息。该类方法优点在于测量系统简单以及数据采集方便，所以其在机器视觉中有着广泛的应用。双目视觉法是该类方法的一种代表性方法，其根据仿生物原理构造类似于人眼的功能，从不同视角的二维图像中确定距离。其在航空测量领域，利用飞行器装载大视场高分辨率相机沿飞行方向拍摄图像序列，从而获取地形地貌。尽管被动式方法可有效获取被测物表面三维信息，但是其主要有两个缺点：运算量十分巨大，通常需要高速处理器来实现测量；对物体表面纹理过分依赖，使得该方法不适合测量光滑或者特征点较少的表面。

主动式三维测量是采用结构光照明的方法对被测物主动地投射光信号，然后根据拍摄得到的调制光场中解调出被测物的三维信息。这类方法由于利用调制光主动对被测面进行调制，所以其解决了对物体自身表面纹理依赖的问题，且避免了相关算法的使用，从而降低了数据运算量。常用的主动式方法包括条纹投影法、飞行时间法、调制度轮廓法等。其中条纹投影法是目前使用最为普遍的一种测量方法。该方法通过向被测物投射光栅条纹，摄像机从另一角度拍摄经被测物调制的光栅条纹，经过条纹解码，解调出被测表面三维轮廓。随着数字投影设备的不断发展，该技术被逐渐用于动态场景三维场景测量。随着条纹高速地投射至被测表面以及摄像机同步采集二维光栅图案，最终通过高速数据处理，可实现针对运动形变物体的高速三维测量。

高速三维测量对于在线检测、生物医疗、形变分析等领域都有着十分重要意义。但是在实际测量过程中，研究人员仍然面临了很多急需解决的问题。其中一个最常遇到的问题就是如何实现高动态范围的高速测量。因为目前待测物体表面由于反射率高，很容易形成局部高光。特别是合金金属工件，其表面的高光尤为明显。表面的高光由于会导致摄像机像素饱和，所以使得摄像机无法获取高光处的有用光信号，最终难以恢复该区域的三维轮廓。同时，传统的多曝光技术尽管可以实现高动态范围的三维测量，但由于需要多次曝光，所以只适合用静态场景的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速高动态范围三维测量方法，可以对动态场景实现高动态范围的三维测量。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种快速高动态范围三维测量方法，使用计算机生成四幅光栅条纹；分别在投影仪光轴和摄像机光轴上放置一块偏振镜，转动任意一块偏振镜，将投影仪光轴和摄像机光轴之间的夹角调节为90度；使用投影仪将生成的四幅光栅条纹投射至被测物，使用摄像机同步拍摄被被测物反射生成的四幅条纹图像；对四幅条纹图像进行分析，获得高频包裹相位和低频相位；对高频包裹相位去包裹，获得高频去包裹后相位，根据去包裹后相位重建被测物体三维场景。

进一步，计算机生成的四幅光栅条纹I^p ₁～I^p ₄的光学表达式如下所示，

I^p ₁(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πfx^p)

I^p ₂(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p)

I^p ₃(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+2π/3)

I^p ₄(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+4π/3)

其中，(x^p,y^p)为投影仪像素坐标，A^p为直流分量，B^p为调制度，A^p＝B^p＝127.5，图像像素深度为8比特，f为第一幅正弦光栅条纹的频率。

进一步，摄像机同步拍摄的四幅条纹图像I^c ₁～I^c ₄的强度分布表达式如下所示，

I^c ₁(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_h)

I^c ₂(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l)

I^c ₃(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+2π/3)

I^c ₄(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+4π/3)

其中，(x^c,y^c)为摄像机像素坐标，A^c为背景光强，B^c为相位调制度，φ_h为拍摄的第一幅条纹图像中包含的高频相位，φ_l为拍摄的第二幅至第四幅条纹图像中包含的低频相位。

进一步，对第一幅条纹图像I^c ₁进行二维傅里叶变换，在获得的频谱中使用汉宁窗对正一级频谱进行滤波，然后进行二维逆傅里叶变换，获得高频包裹相位φ_h。

进一步，对第二幅至第四幅条纹图像I^c ₂、I^c ₃和I^c ₄使用三步相移法分析，获得低频相位φ_l，计算公式如下所示，

${\mathrm{\φ}}_l(x^c,y^c)={\tan }^{-1}\frac{\sqrt{3}\left(I_1^c\right(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c\left)\right)}{2I_2^c(x^c,y^c)-I_1^c(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c)}.$

进一步，获取去包裹后相位Φ的具体方法如下式所示：

$\mathrm{\Φ}(x^c,y^c)={\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)+2\mathrm{\π}\×Round\[\frac{{\mathrm{f\φ}}_l(x^c,y^c)-{\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)}{2\mathrm{\π}}\]$

其中，Round为求取最近整数。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明使用偏振镜很好地解决了现有技术存在的高光问题，使得在单次曝光的情况下就可实现高动态范围的三维测量。此外，根据传统方法，比如双频三步相移法，动态场景测量通常需要六幅条纹，而本发明方法只需要使用四幅光栅条纹，所以本发明非常适合快速运动形变物体的测量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明快速高动态范围三维测量方法流程示意图。

图2为本发明实施例中使用的测量对象及其场景图像，测量对象为图像中的具有局部高光的白色水杯。

图3为本发明实施例中对图2所示测量对象拍摄的四幅条纹图像，其中，(a)为拍摄的第一幅条纹图像(b)为拍摄的第二幅条纹图像(c)为拍摄的第三幅条纹图像(d)为拍摄的第四幅条纹图像

图4为本发明实施例中求解的相位示意图，其中(a)为高频相位φ_h，(b)为低频相位φ_l。

图5为本发明实施例获得的三维重建图像对比，其中(a)为使用传统方法重建获得的三维图像，(b)为使用本发明方法重建获得的三维图像。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明快速高动态范围三维测量方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，本发明所述快速高动态范围三维测量方法，步骤如下：

步骤一，使用计算机生成所需的四幅光栅条纹。以竖直条纹生成为例，四幅光栅条纹I^p ₁～I^p ₄，四幅光栅条纹I^p ₁～I^p ₄按以下方式生成：

I^p ₁(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πfx^p)

I^p ₂(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p)

I^p ₃(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+2π/3)

I^p ₄(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+4π/3)

其中，(x^p,y^p)为投影仪像素坐标，A^p为直流分量，B^p为调制度，A^p＝B^p＝127.5，图像像素深度为8比特，f为第一幅正弦光栅条纹的频率。

步骤二，放置偏振镜。分别在投影仪光轴和摄像机光轴上放置一块偏振镜，转动其中任意一块偏振镜，将投影仪光轴和摄像机光轴的透光轴之间的夹角调节为90度。

步骤三，采集光栅条纹以及相位求解。

首先，使用投影仪将生成的四幅光栅条纹投射至被测物，摄像机同步采集被被测物反射生成的四幅条纹图像，摄像机同步拍摄的四幅条纹图像I^c ₁(x^c,y^c)～I^c ₄(x^c,y^c)可被表示为：

I^c ₁(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_h)

I^c ₂(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l)

I^c ₃(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+2π/3)

I^c ₄(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+4π/3)

其中，(x^c,y^c)为摄像机像素坐标，A^c为背景光强，B^c为相位调制度，φ_h为拍摄的第一幅条纹图像中包含的高频相位，φ_l为拍摄的第二幅至第四幅条纹图像中包含的低频相位。

其次，对第一幅条纹图像使用傅里叶轮廓术进行分析，获得高频包裹相位φ_h。使用二维傅里叶变换，在得到的频谱中，使用大小为M×N的汉宁窗对正一级频谱进行滤波，最后进行二维逆傅里叶变换，得到高频包裹相位φ_h。

最后，对第二幅至第四幅条纹图像使用三步相移法分析，获得低频相位φ_l。低频相位φ_l具体由以下公式获得：

${\mathrm{\φ}}_l(x^c,y^c)={\tan }^{-1}\frac{\sqrt{3}\left(I_1^c\right(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c\left)\right)}{2I_2^c(x^c,y^c)-I_1^c(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c)}$

步骤四，被测场景三维重建。对高频包裹相位φ_h去包裹，获得高频去包裹后相位Φ，根据去包裹后相位Φ重建被测三维场景。获取去包裹后相位Φ的具体方法如下式所示：

$\mathrm{\Φ}(x^c,y^c)={\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)+2\mathrm{\π}\×Round\[\frac{{\mathrm{f\φ}}_l(x^c,y^c)-{\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)}{2\mathrm{\π}}\]$

其中，Round为求取最近整数。在求得去包裹后相位Φ后，根据去包裹后相位Φ重建被测三维场景可以参考文献“Automaticidentificationandremovalofoutliersforhigh-speedfringeprojectionprofilometry”(OptEng2013；52013605-013605)所述的相位深度转换方法。

实施例

本实施例中，被测对象如图2所示为一个表面有高光反射的水杯。使用本发明所述步骤一生成的四幅光栅条纹投射进行测量，当不加入偏振镜时三维测量结果如图5(a)所示，可明显看出高光区域的表面出现了凹坑，说明高光的存在影响该部分表面的测量。当按照本发明方法按步骤二在投影仪光轴和摄像机光轴上加入偏振镜后，采集的四幅条纹图像依次如图3中(a)至(d)所示，从图3中不难发现，原有的高光已经被削弱。随后，利用步骤三中傅里叶轮廓术对图3中(a)所示的条纹图像进行分析，得到高频包裹相位φ_h，高频包裹相位φ_h如图4(a)所示。然后使用步骤三中三步相移法对图4中(b)至(d)所示的三幅条纹图像进行处理，得到低频相位φ_l，低频相位φ_l如图4(b)所示。最后，采用步骤四中三维重建的方法得到被测水杯的三维轮廓，三维轮廓如图5(b)所示，其中mm表示毫米，Pixel表示像素。可以看出，利用本发明所述方法，在存在高光的物体表面也能被正确地测量重建三维图像。

Claims (6)

1.一种快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，

使用计算机生成四幅光栅条纹；

分别在投影仪光轴和摄像机光轴上放置一块偏振镜，转动任意一块偏振镜，将投影仪光轴和摄像机光轴之间的夹角调节为90度；

使用投影仪将生成的四幅光栅条纹投射至被测物，使用摄像机同步拍摄被被测物反射生成的四幅条纹图像；对四幅条纹图像进行分析，获得高频包裹相位和低频相位；

对高频包裹相位去包裹，获得高频去包裹后相位，根据去包裹后相位重建被测物体三维场景。

2.如权利要求1所述快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，计算机生成的四幅光栅条纹I^p ₁～I^p ₄的光学表达式如下所示，

I^p ₁(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πfx^p)

I^p ₂(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p)

I^p ₃(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+2π/3)

I^p ₄(x^p,y^p)＝A^p(x^p,y^p)+B^p(x^p,y^p)cos(2πx^p+4π/3)

其中，(x^p,y^p)为投影仪像素坐标，A^p为直流分量，B^p为调制度，A^p＝B^p＝127.5，图像像素深度为8比特，f为第一幅正弦光栅条纹的频率。

3.如权利要求2所述快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，摄像机同步拍摄的四幅条纹图像I^c ₁～I^c ₄的强度分布表达式如下所示，

I^c ₁(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_h)

I^c ₂(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l)

I^c ₃(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+2π/3)

I^c ₄(x^c,y^c)＝A^c(x^c,y^c)+B^c(x^c,y^c)cos(φ_l+4π/3)

其中，(x^c,y^c)为摄像机像素坐标，A^c为背景光强，B^c为相位调制度，φ_h为拍摄的第一幅条纹图像中包含的高频相位，φ_l为拍摄的第二幅至第四幅条纹图像中包含的低频相位。

4.如权利要求3所述快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，对第一幅条纹图像I^c ₁进行二维傅里叶变换，在获得的频谱中使用汉宁窗对正一级频谱进行滤波，然后进行二维逆傅里叶变换，获得高频包裹相位φ_h。

5.如权利要求4所述快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，对第二幅至第四幅条纹图像I^c ₂、I^c ₃和I^c ₄使用三步相移法分析，获得低频相位φ_l，计算公式如下所示，

${\mathrm{\φ}}_l(x^c,y^c)={\tan }^{-1}\frac{\sqrt{3}\left(I_1^c\right(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c\left)\right)}{2I_2^c(x^c,y^c)-I_1^c(x^c,y^c)-I_3^c(x^c,y^c)}.$

6.如权利要求5所述快速高动态范围三维测量方法，其特征在于，获取去包裹后相位Φ的具体方法如下式所示：

$\mathrm{\Φ}(x^c,y^c)={\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)+2\mathrm{\π}\×Round\[\frac{{\mathrm{f\φ}}_l(x^c,y^c)-{\mathrm{\φ}}_h(x^c,y^c)}{2\mathrm{\π}}\]$

其中，Round为求取最近整数。