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CN117387523A - 基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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CN117387523A
CN117387523A CN202311538464.3A CN202311538464A CN117387523A CN 117387523 A CN117387523 A CN 117387523A CN 202311538464 A CN202311538464 A CN 202311538464A CN 117387523 A CN117387523 A CN 117387523A
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CN
China
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image
phase
projector
structured light
camera
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CN202311538464.3A
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余瑞雪
卞涛
张仕臻
冯隽
王兵
张宇航
凌晓欢
刘志文
蔡文豪
梁涵放
刘金科
朱希鸣
陈鹏宇
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Jianghan University
Original Assignee
Jianghan University
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质，其测量方法包括以下步骤：S101、采用DLP投影仪投射结构光；S102、采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；S103、解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；S104、调整投影仪和摄像机位置，获取不同距离情况下图像相位；S105、求解相位差和参考平面的关系函数；S106、根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。本发明可以解决现有技术中手动摆放识别装置，测量距离存在误差，需要调整参数校准的技术问题。

Description

基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及三维重建技术领域，更具体地说，涉及一种基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
三维轮廓测量方法可以低成本获得到精确度高的结构简单点云数据。所得的点云数据，可以帮助目标物体进行三维重建，辅助计算机视觉技术。三维模型重构也是三维智能信息处理等领域的核心课题之一，在数字城市、智能交通、智能制造、文物保护、测量测绘等领域有着广阔的应用前景。目前，三维模型重建的难点在于点云的深度信息的精确获取。传统三维轮廓测绘法通过投射多幅调制的结构光图，可以获得图像某点的绝对相位。通过改变调制方法，投射光图的数量需求降低，获取的相位反映出的高度信息逐渐达到很高的精度。但由于预先设定的各种投影仪-摄像机模型中，投影仪和摄像机摆放方式变化，相位到高度的映射关系发生变化。又因装置摆放位置关系与预期建模存在位置偏差，导致测量存在误差，需要后续手动校准。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质，可以解决现有技术中手动摆放识别装置，测量距离存在误差，需要调整参数校准的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造1、一种基于结构光的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、采用DLP投影仪投射结构光；
S102、采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；
S103、解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；
S104、调整投影仪和摄像机位置，获取不同距离情况下图像相位；
S105、求解相位差和参考平面的关系函数；
S106、根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。
按上述方案，在所述步骤S102中，获取待识别物体的图像之后，还包括以下步骤：
S201、对采集图像进行灰度化处理，计算图像的灰度阈值；
S202、根据阈值对图像二值化；
S203、判断超出投影边界的区域作计算时去除该区域；
S204、根据投影纯黑和纯白图像时的采集图像，判断物体在投影光源中遮挡的阴影区域。
按上述方案，在所述步骤S103中，解算图像中各点的绝对相位的方法包括以下步骤：
S301、采用每两位取异或的方式进行格雷码转换二进制的计算，求解格雷码编码的图像相位周期；
S302、基于四步相移的相位值，求解正弦光栅编码的图像相位偏移；
S303、根据相位周期和相位偏移，解算图像中各点的绝对相位。
按上述方案，在所述步骤S105中，求解相位差和参考平面的关系函数的方法包括以下步骤：
S401、求得滑动平面的相位和参考平面的相位的相位差；
S402、根据滑动平面的位移高度和相位差值标定系统中各参数；
S403、代入至二次拟合函数以便快速求解。
按上述方案，在所述步骤S101中，采用DLP投影仪投射结构光的方法包括如下步骤：
对投射光进行结构化编码的处理，对一部分投射光使用格雷码编码，对一部分投射光使用四步正弦光编码；
将投影图形编辑成固件烤录进DLP投影仪，供后续若干次切换投射图像；
根据投影区域在背景板上的范围，调整投影仪位姿，将投影仪固定在滑轨一侧，接USB连接线供计算机进行投影操作。
按上述方案，在所述步骤S102中，采用CCD摄像机获取待识别物体的图像，包括：
将CCD摄像机固定在滑轨中相对于投影仪的另一侧，使用型材将投影仪和摄像机进行连接，细微调整至两者镜头光心连线与参考背景板尽量平行；
保持摄像机和投影仪的绝对世界坐标位置不变，分别获取包含投影光的背景板图像和待测物体的图像，以及使用棋盘格获取系统的内外参标定图像。
按上述方案，所述调整投影仪和摄像机的位置，获取不同距离情况下相位，包括：
通过精密刻度尺标记位置，使得滑轨每次按一个方向移动10mm，一共移动三次；
获取三种距离下只包含背景板不包含待测物体的投影图像；
根据各图像光栅强度，解算出各点绝对相位，与先前参考平面相位相比求出相位差。
按上述方案，求解相位差和物体高度的关系函数，包括：
通过三次相位差值标定该系统中高度相位关系函数的参数值；
将参数带入公式，求解相位差和物体高度的关系函数。
按上述方案，确定待测物体表面到参考平面距离，包括：
将待测物体光栅图中求出的绝对相位与先前参考平面相位相比求出相位差；
根据高度相位关系函数公式，求出待测物体表面各点到参考平面距离。
本发明还提供了一种基于结构光的三维测量装置，包括投影仪投影模块、摄影机图像获取模块、计算机解算相位模块、滑轨模块和待测物拍摄模块；
所述投影仪投影模块用于投影结构光；
所述摄影机图像获取模块用于采集物体或者背景板在投影光下的图像；
所述计算机解算相位模块用于预处理采集图像，以及解算图像相位，求得标定参数系数，求解待测物体的表面高度；
所述滑轨模块用于连接投影仪和照相机，使两者一并相对于背景板平面于三维空间做多个垂直移动，进行系统的参数标定；
所述待测物拍摄模块用于可旋转平台用于支撑待测物体，旋转以进行物体多方向表面的高度采集，支持后续三维建模。
按上述方案，所述背景板是一个不透明不反光的白色刚性板材，垂直于滑轨固定在型材上。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现所述的结构光三维测量方法中的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的结构光三维测量方法中的步骤。
实施本发明的基于结构光的三维测量方法、装置、电子设备及存储介质，具有以下有益效果：
本发明首先采用DLP投影仪投射结构光；随后采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；随后解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；随后调整投影仪和摄像机的位置，获取不同距离的图像相位；随后求解相位差和物体高度的关系函数；最后根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。本发明解决了由于预先设定的各种投影仪-摄像机模型中，投影仪和摄像机摆放方式变化，相位到高度的映射关系发生变化。又因手动摆放不准确，摄像机和投影仪与参考平面之间位置关系不符合预期建模，导致测量存在误差，需要后续手动校准的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于结构光的三维测量方法的流程图；
图2是获取待识别物体的图像之后的方法流程图；
图3是解算图像中各点的绝对相位的方法流程图；
图4是求解相位差和参考平面的关系函数的方法流程图；
图5是基于结构光的三维测量装置的模块图；
图6是基于结构光的三维测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的结构光三维测量方法、装置、设备或者计算机可读存储介质可适应不同的工作环境，并依据要求获取，计算并输出所需要的数据信息，由此作为物体三维重构中高度信息来源。其中拍摄和投影装置可以灵活选择，投影图像可以灵活编码，提高了采集系统的适用范围，扩大了待测物的选择空间。采用滑轨装置，减少标定过程的复杂度，可以快速获取系统参数。进行过标定步骤后，可以通过计算机对设备进行控制，执行测量相关程序实现三维重建功能。并且由于计算公式的改进，突破以往需要将摄像机和投影仪与参考平面平行或者保持一定角度的限制。本发明所涉及的方法、装置、设备或者计算机可读存储介质既可以与上述系统集成在一起，也可以是相对独立的。
本实施例提供了一种结构光三维测量方法，请参阅图1，包括：
S101、采用DLP投影仪投射结构光；
S102、采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；
S103、解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；
S104、调整投影仪和摄像机位置，获取不同距离情况下图像相位；
S105、求解相位差和参考平面的关系函数；
S106、根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。
在本实施例中，首先采用DLP投影仪投射结构光；随后采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；随后解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；随后调整投影仪和摄像机的位置，获取不同距离的图像相位；随后求解相位差和物体高度的关系函数；最后根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。本发明解决了由于预先设定的各种投影仪-摄像机模型中，投影仪和摄像机摆放方式变化，相位到高度的映射关系发生变化。又因手动摆放不准确，摄像机和投影仪与参考平面之间位置关系不符合预期建模，导致测量存在误差，需要后续手动校准的问题。
在一些实施例中，请参阅图2，所述获取待识别物体的图像之后，还包括：
S201、对采集图像进行灰度化处理，计算图像的灰度阈值；
S202、根据阈值对图像二值化；
S203、判断超出投影边界的区域作计算时去除该区域；
S204、根据投影纯黑和纯白图像时的采集图像，判断物体在投影光源中遮挡的阴影区域。
在本实施例中，采用图像BMP图像的每个像素点的R、G和B三值取平均值得到待测物体的灰度图像。
进一步的，根据投影白色图案和黑色图案情况下，获取到的图像灰度，将两者的均值作为灰度的阈值。对图像二值化时，将比阈值小的点(x,y)灰度赋0，将比阈值大的点(x,y)灰度赋255。至此，可以很好分辨出格雷码光栅中黑色和白色的部分，对精准编码图像有很大帮助。
由于投影区域不是覆盖整个拍摄图像，计算时，根据投影白色图案时获得的图像。经过二值化处理后，将白色部分筛选出来，去除黑色部分即投影无法覆盖的部分。
光源经过待测物体遮挡，在参考平面上留下黑色阴影区域。单纯判断图像中黑色区域可能由于环境光的影响，无法精确定位阴影区域。计算时，将向待测物体投影白色光的图像，于向其投影黑色光的图像，两者的灰度值作减法。所得的差于黑色阴影区域应为一个较小的值，由此判断出待测物体的阴影区域。
在一些实施例中，请参阅图3，所述解算图像中各点的绝对相位，包括：
S301、采用每两位取异或的方式进行格雷码转换二进制的计算，求解格雷码编码的图像相位周期；
S302、基于四步相移的相位值，求解正弦光栅编码的图像相位偏移；
S303、根据相位周期和相位偏移，解算图像中各点的绝对相位。
在本实施例中，首先将获取到的格雷码光栅图像经过预处理，得到n幅格雷码光栅的黑白图像。然后遍历整幅图像坐标，黑色取0，白色取1，得到于坐标(i，j)的n个二进制数gi，j，将第0-n幅的光栅数gi，j组成数组Gi，j，Gi，j就是该点(i，j)的格雷码编码值。
接着以位为单位，除最高位保留以外，以后每两位取异或值得到二进制码Bx，y，将Bx，y作十进制转换求解出该坐标的相位周期值Mx，y。
在本实施例中，正弦光栅的投影光强度为将Ia取白光的一半，Ib取白光的一半，N分别取0，1，2，3，即是四步相移光栅，根据投影的格雷码光栅数n，f选择为2n。于是四幅正弦光的强度分别为：
其中N＝0，1，2，3。x为于图像的横坐标值i与横坐标分辨率的比值，即投影图案为竖向光栅条纹。
采用摄像机获取正弦光栅图像，经过预处理后，得到四幅光强I1、I2、I3、I4。公式简化后，得到偏移相位：
进一步的，根据相位周期和相位偏移，求出绝对相位：
在一些实施例中，请参阅图4，求解相位差和参考平面的关系函数，包括：
S401、求得滑动平面的相位和参考平面的相位的相位差；
S402、根据滑动平面的位移高度和相位差值标定系统中各参数；
S403、代入至二次拟合函数以便快速求解。
在本实施例中，相位差时移动滑轨10mm、20mm、30mm后的参靠平面图像中所求的相位分别为将三者与未移动时的参考平面图像所求相位按照公式求得相位差：
相位差记作Δφ1、Δφ2、Δφ3。
根据公式：
标定该系统中L、d、f的值。其中Δφ1、Δφ2、Δφ3对应得h1、h2、h3即为移动得10mm、20mm、30mm。
为了快速计算某相位差对应的高度，将多个相位差-高度值代入二次拟合函数：
即求得坐标点(x，y)所对应的ax,y、bx，y、cx，y，相位差值对应的多次项系数。
为了既要滑动滑块进行标定和参数求解，又要保证系统拍摄待测物体时不发生摄像机和投影仪位移，影响求解出的参数的准确性。可以待滑动滑块进行标定后再固定拍摄待测物体和参考平面背景的图像。也可以标记好滑动位置，标定后将滑轨挪回之前标记的位置，由于摄像机和投影机均固定在滑轨上，已经用螺丝螺母进行了连接，可以极大程度的保持系统标定的准确性。
基于上述的结构光三维测量方法，本发明实施例还相应的提供一种结构光三维物体测量装置500，请参阅图5和图6，该测量装置包括投影仪投影模块510、摄影机图像获取模块520、计算机解算相位模块530、滑轨模块540、待测物拍摄模块550。
投影仪投影模块510，用于投影结构光；
摄影机图像获取模块520，用于采集物体或者背景板在投影光下的图像；
计算机解算相位模块530，用于预处理采集图像，以及解算图像相位，求得标定参数系数，求解待测物体的表面高度；
滑轨模块540，用于连接投影仪和照相机，使两者一并相对于背景板平面于三维空间做多个垂直移动，进行系统的参数标定；
待测物拍摄模块550，可旋转平台用于支撑待测物体，旋转以进行物体多方向表面的高度采集，支持后续三维建模。背景板是一个不透明不反光的白色刚性板材，垂直于滑轨固定在型材上保持不动。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现所述的结构光三维测量方法中的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的结构光三维测量方法中的步骤。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于结构光的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、采用DLP投影仪投射结构光；
S102、采用CCD摄像机获取待识别物体的图像；
S103、解算图像中各点的绝对相位，对格雷码编码的图像求解相位周期，对相移光编码的图像求解相位偏移；
S104、调整投影仪和摄像机位置，获取不同距离情况下图像相位；
S105、求解相位差和参考平面的关系函数；
S106、根据所求的关系函数公式，确定待测物体表面到参考平面距离。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，在所述步骤S102中，获取待识别物体的图像之后，还包括以下步骤：
S201、对采集图像进行灰度化处理，计算图像的灰度阈值；
S202、根据阈值对图像二值化；
S203、判断超出投影边界的区域作计算时去除该区域；
S204、根据投影纯黑和纯白图像时的采集图像，判断物体在投影光源中遮挡的阴影区域。
3.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，在所述步骤S103中，解算图像中各点的绝对相位的方法包括以下步骤：
S301、采用每两位取异或的方式进行格雷码转换二进制的计算，求解格雷码编码的图像相位周期；
S302、基于四步相移的相位值，求解正弦光栅编码的图像相位偏移；
S303、根据相位周期和相位偏移，解算图像中各点的绝对相位。
4.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，在所述步骤S105中，求解相位差和参考平面的关系函数的方法包括以下步骤：
S401、求得滑动平面的相位和参考平面的相位的相位差；
S402、根据滑动平面的位移高度和相位差值标定系统中各参数；
S403、代入至二次拟合函数以便快速求解。
5.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，在所述步骤S101中，采用DLP投影仪投射结构光的方法包括如下步骤：
对投射光进行结构化编码的处理，对一部分投射光使用格雷码编码，对一部分投射光使用四步正弦光编码；
将投影图形编辑成固件烤录进DLP投影仪，供后续若干次切换投射图像；
根据投影区域在背景板上的范围，调整投影仪位姿，将投影仪固定在滑轨一侧，接USB连接线供计算机进行投影操作。
6.根据权利要求1所述的基于结构光的三维测量方法，其特征在于，在所述步骤S102中，采用CCD摄像机获取待识别物体的图像，包括：
将CCD摄像机固定在滑轨中相对于投影仪的另一侧，使用型材将投影仪和摄像机进行连接，细微调整至两者镜头光心连线与参考背景板尽量平行；
保持摄像机和投影仪的绝对世界坐标位置不变，分别获取包含投影光的背景板图像和待测物体的图像，以及使用棋盘格获取系统的内外参标定图像。
7.一种基于结构光的三维测量装置，其特征在于，包括投影仪投影模块、摄影机图像获取模块、计算机解算相位模块、滑轨模块和待测物拍摄模块；
所述投影仪投影模块用于投影结构光；
所述摄影机图像获取模块用于采集物体或者背景板在投影光下的图像；
所述计算机解算相位模块用于预处理采集图像，以及解算图像相位，求得标定参数系数，求解待测物体的表面高度；
所述滑轨模块用于连接投影仪和照相机，使两者一并相对于背景板平面于三维空间做多个垂直移动，进行系统的参数标定；
所述待测物拍摄模块用于可旋转平台用于支撑待测物体，旋转以进行物体多方向表面的高度采集，支持后续三维建模。
8.根据权利要求7所述的基于结构光的三维测量装置，其特征在于，所述背景板是一个不透明不反光的白色刚性板材，垂直于滑轨固定在型材上。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现权利要求1-6任意一项所述的结构光三维测量方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1-6任意一项所述的结构光三维测量方法中的步骤。
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CN118134982A (zh) * 2024-05-06 2024-06-04 广东工业大学 一种基于系统位姿优化的结构光系统三维测量方法及装置
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