阅读说明：本技术 一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法 (Color coding grating crosstalk compensation method based on projection plane ) 是由 刘飞 吴明雄 吴高旭 吴延雪 张圣明 杨时超 严谨 罗惠方 张茵楠 于 2019-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法,该方法通过分别投影传统黑白光栅和彩色光栅(水平和竖直方向)于一个标准平板上,基于投影坐标转换公式建立灰度绝对相位和彩色绝对相位之间的误差查找表err(u<Sub>p</Sub>,v<Sub>p</Sub>)。接着投影彩色光栅于待测实物上,解包裹相位得到实物的绝对相位。通过在投影平面寻找对应点相位值的补偿量,之后便可以获得串扰补偿后的相位。不同于其他彩色通道补偿方法,该方法通过建立一个误差查找表,在投影平面上利用点对点的全灰度值补偿,有效地抑制和修正了彩色串扰误差。本发明方法提出了一种可行的串扰补偿算法,保证彩色光栅轮廓术三维测量的精度和优点,可以应用于快速三维测量领域。(The invention discloses a color coding grating crosstalk compensation method based on a projection plane, which comprises the steps of respectively projecting a traditional black-white grating and a color grating (in the horizontal direction and the vertical direction) on a standard flat plate, and establishing an error lookup table err (u) between a gray absolute phase and a color absolute phase based on a projection coordinate conversion formula p ,v p ). And then projecting the color grating on the object to be detected, and unwrapping the phase to obtain the absolute phase of the object. The phase after crosstalk compensation can be obtained by searching the compensation quantity of the phase value of the corresponding point on the projection plane. Unlike other color channel compensation methods, the method effectively suppresses and corrects color crosstalk errors by building an error lookup table and using point-to-point full gray value compensation on the projection plane. The method of the invention provides a feasible crosstalk compensation algorithm, ensures the precision and the advantages of the three-dimensional measurement of the color grating profilometry, and can be appliedIn the field of rapid three-dimensional measurement.)

一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法

技术领域

本发明涉及在光学三维形貌测量、重建、结构光技术。本发明涉及一种彩色光栅误差补偿方法，更进一步，涉及一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法。

背景技术

随着网络通信技术的发展和生产生活需求的扩张，各行业需要一种简单方便的物体三维形貌测量方法。根据测量时是否与被测量物体接触，三维测量分为接触式和非接触式，非接触式三维测量技术在具备同样高精度的条件下还具备传统接触式测量技术所不具备的优点：如测量工件表面保护、大型工件测量、耗时少、便携等。近年来非接触式三维测量技术在文物保护、逆向工程、虚拟现实等领域也得到越来越多的应用。

三维重建技术是三维测量技术的延伸，通过一定的方法获取目标物体的三维形貌信息，并通过一定的算法处理，重建物体的三维轮廓。

基于各种结构光对物体表面进行三维形貌测量的技术不断涌现，并以各自的特点应用于不同的领域。由于条纹图案设计和实现精度高、自动化程度高、易于识别，光学三维测量中投影图案主要趋向于使用条纹模式。条纹结构光投影法是一种基于三角测量原理的主动式光学测量方法。彩色投影图案可以增加基本代码的数量并且确保编码唯一，对运动物体进行重建，所以随着彩色高精度投影仪和电荷耦合元件(CCD)相机的发展，彩色复合正弦条纹投影技术被广泛的研究和应用。彩色条纹的各个颜色通道可以携带更多的相位信息，从而减少图像拍摄次数，提高测量速度。

存在的问题：彩色编码涉及到的彩色投影仪与彩色CCD相机的通道间颜色串扰问题，会直接影响相位的计算，降低物体三维形貌测量的精度。随着彩色光栅条纹投影技术的发展和广泛应用，颜色通道间串扰消除问题的研究变得越来越重要。采用的投影条纹的图片数量又直接影响到三维重建的快速性和实时性。彩色编码条纹技术在实际应用中存在有许多技术问题需要解决。为了覆盖所有的光谱范围,投影和成像系统颜色通道间存在着串扰和不平衡问题,从而改变了条纹的形状,会在解包裹的绝对相位中产生很大的相位误差最终影响三维重建精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法。该方法能够在彩色编码光栅三维测量过程中，补偿由于R\G\B通道之间光强的串扰和不平衡所造成的相位误差，避免相位波动得到正确的相位信息。采用较少的投影图片可以满足对待测物体的快速测量，保证三维重建过程中的精度和效率。

本发明的一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：将3频3步黑白条纹图(水平和竖直)和彩色条纹图(水平和竖直)分别投影于标准平板，分别采集这两组图像；

步骤2：根据步骤1中采集的水平和竖直方向的彩色图像进行通道分离，将彩色变形条纹图分离到R\G\B三个通道中，共得到18(9+9)张单通道图像；

步骤3：将上述的两组图像分别解包裹相位，得到黑白条纹和彩色条纹的绝对相位：Gray_PHI_u、Gray_PHI_ν和RGB_PHI_u、RGB_PHI_ν。由投影平面转换方程可以把每组绝对相位分别转换到投影平面，得到黑白条纹和彩色条纹的投影平面坐标：Gray(u_p,v_p)和RGB(u_p,v_p)；

步骤4：根据步骤3中的两组绝对相位作差值，可以建立传统黑白条纹和彩色条纹之间的误差查找表err(u_p,v_p)；

步骤5：根据步骤1和步骤2的方法流程，将彩色条纹图投影于待测实物表面，采集获得彩色变形条纹图像。经过解包裹算法和投影平面转换方程，得到基于投影平面的实物相位坐标：RGB_obj(u_p,v_p)；

步骤6：根据步骤3和4计算的RGB(u_p,v_p)和err(u_p,v_p)，对步骤5中待测实物的相位坐标RGB_obj(u_p,v_p)进行点对点的串扰补偿。基于最短距离搜索算法，对于RGB_obj(u_p,v_p)中某一点M(u_p,v_p)可以在RGB(u_p,v_p)中找寻一点P_min(u_p,v_p)作为最短距离坐标，对应于相机坐标系下误差查找表err(u_p,v_p)中一点N(u_p,v_p)为点M(u_p,v_p)的误差补偿量。

步骤7：根据步骤6中得到相应点的误差补偿量，在投影平面坐标系下对待测实物RGB_obj(u_p,v_p)进行补偿，经过投影平面转换方程还原得到的绝对相位PHI_h和PHI_ν(取其中的竖直方向PHI_v)，进而重建三维形貌。

进一步，其中步骤1中，所述的黑白条纹和彩色条纹的编码条纹周期一致，高、中、低三个频率应取值合理，尽量取成倍频率值。所述的3频3步彩色编码条纹中各通道调制的投影光栅的光强值应满足：I_R＞I_G＝I_B；

进一步，其中步骤1中，所述彩色条纹图的编码方法和各通道投影的光强值如下列(1)至(3)式所示：

I_R(x,y)＝A_R(x,y)+B_R(x,y)cos[φ(x,y)-2π/3], (1)

I_G(x,y)＝A_G(x,y)+B_G(x,y)cos[φ(x,y)], (2)

I_B(x,y)＝A_B(x,y)+B_B(x,y)cos[φ(x,y)+2π/3]. (3)

其I_i(i＝R\G\B)为R\G\B三个通道的调制光强值；

A_i(i＝R\G\B)为R\G\B三个通道的背景光强，B_i(i＝R\G\B)为调制幅度；

其φ(x,y)为待测实物的包裹相位值；

进一步，其中步骤2中所述的投影平面转换方程可以用以下(4)至(5)式求得：

其中，u_p和v_p分别为u和v方向在投影平面(DMD图像)中的一条线；

PHI_v、PHI_h为竖直和水平方向的绝对相位值；

N_v和N_h为光栅图像的条纹数；

W和H分别为图像投影图像水平和竖直方向的分辨率；

进一步，其中步骤4中黑白条纹和彩色条纹之间的误差查找表err(u_p,v_p)可由公式(6)求得：

err(u_p,v_p)＝Gray(u_p,v_p)-RGB(u_p,v_p). (6)

其中，Gray(u_p,v_p)和RGB(u_p,v_p)分别为黑白条纹和彩色条纹在投影平面下的绝对相位值；

进一步，其中步骤6中所述的最短距离搜索算法，其中对于RGB_obj(u_p,v_p)中某一点M(u_p,v_p)可以在RGB_(u_p,v_p)中找寻一点P_min(u_p,v_p)作为最短距离坐标。P_min(u_p,v_p)的搜索过程是迭代计算的，即P_i(u_p,v_p)与M(u_p,v_p)的差值最小时找到对应的点为P_min(u_p,v_p)；

进一步，其中步骤7中对待测实物RGB_obj(u_p,v_p)进行补偿，补偿后的绝对相位值RGB_ideal(u_p,v_p)可由公式(7)求得：

RGB_ideal(u_p,v_p)＝RGB(u_p,v_p)+err(u_p,v_p). (7)

进一步，其中，根据公式(4)和(5)，经过投影平面转换方程还原RGB_ideal(u_p,v_p)之后得到的绝对相位PHI_u和PHI_ν，取其中竖直方向的绝对相位PHI_v。

根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法，该方法只需投影3幅彩色光栅条纹图就能得到被测物体的三维形貌信息。创造性地提出了基于投影平面的串扰补偿，将绝对相位转换到投影平面上，点对点，全灰度值进行补偿。相比现有的彩色串扰补偿算法，本发明只需要建立一张误差查找表，进而能对待测物体全场绝对相位值补偿，获得高精度解包裹绝对相位。总的来说，本发明在数字光栅快速三维测量中补偿彩色通道间的串扰和不平衡问题，同时还对其他黑白条纹和彩色条纹轮廓术中存在的误差进行消除。本发明方法由一张彩色图像中可以提取多通道条纹，并且利用投影平面的误差查找表进行串扰补偿，为彩色编码光栅的高精度测量提供一种可行方法，可以应用于快速三维测量领域，适合大规模的推广和应用。

附图说明

为了获得本发明的上述优点和其他特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的测量系统的示意图。

图2是本发明的该投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法的简要实施示意图。

图3是本发明的该投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示是依本发明的发明精神提供的一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法，其通过一个结构光测量系统来实现，该测量系统包括一个终端1、一个投影仪2以及一个工业相机4，该投影仪2和该工业相机4布置在被测物体3前方，并且该投影仪2和该工业相机4均连接于该终端1。该终端1能够控制该投影仪2向该被测量物体投射具有相位信息的条纹光栅，该工业相机4能够实时采集经过该被测量物体表面调制的条纹图像，并将其发送到该终端1以进行分析和后续的操作，例如进行该方法的操作。

结合图1所示，本发明公开一种基于投影平面的彩色编码光栅串扰补偿方法，具体步骤如下：

步骤1：由如图1所示的面结构光测量系统，主要由该终端1、该投影仪2、该工业相机4组成，其中该投影仪2和该工业相机4布置在被测物体3前方，其布置位置应保证该工业相机4拍摄范围覆盖该投影仪2的投影范围。例如，在图1这个例子中，该投影仪2和该工业相机4分别位于该被测物体的前方，并且该投影仪2和该工业相机4分别位于该被测物体的两侧，从而该投影仪2能够从该被测物体的前方的一个侧部向该被测物体3投影调制后的条纹图像，该工业相机4能够从该被测物体3的前方的另一个侧部拍摄被投射到该被测物体3的该条纹图像；优选的，将高、中、低(P1＝36、P2＝6、P3＝1)三个频率，三步相移条纹中各通道调制的投影光栅的光强值应满足：I_R＞I_G＝I_B，相位差2π/3的相移条纹分别压制在R\G\B三个通道中。黑白条纹图(水平和竖直)和彩色条纹图(水平和竖直)分别投影于标准平板，分别采集这两组图像。所述彩色条纹图的编码方法和各通道投影的光强值如下列(1)至(3)式所示：

I_R(x,y)＝A_R(x,y)+B_R(x,y)cos[φ(x,y)-2π/3], (1)

I_G(x,y)＝A_G(x,y)+B_G(x,y)cos[φ(x,y)], (2)

I_B(x,y)＝A_B(x,y)+B_B(x,y)cos[φ(x,y)+2π/3]. (3)

其I_i(i＝R\G\B)为R\G\B三个通道的调制光强值；

A_i(i＝R\G\B)为R\G\B三个通道的背景光强，B_i(i＝R\G\B)为调制幅度；

其φ(x,y)为待测实物的包裹相位值；

步骤2：通过终端1采集的图像来进行通道分离，水平和竖直彩色变形条纹组分别分离到R\G\B三个通道中，得到18(9+9)张单通道图像；

步骤3：将两组图像分别解包裹相位，得到黑白条纹和彩色条纹的绝对相位：Gray_PHI_u、Gray_PHI_ν和RGB_PHI_u、RGB_PHI_ν。由投影平面转换方程可以把每组绝对相位分别转换到投影平面，得到黑白条纹和彩色条纹的投影平面坐标：Gray(u_p,v_p)和RGB(u_p,v_p)，投影平面转换方程可以用以下(4)至(5)式求得：

其中，u_p和v_p分别为u和v方向在投影平面(DMD图像)中的一条线；

PHI_v、PHI_h为竖直和水平方向的绝对相位值；

N_v和N_h为光栅图像的条纹数；

W和H分别为图像投影图像水平和竖直方向的分辨率；

步骤4：根据步骤3中的两组绝对相位作差值，可以建立传统黑白条纹和彩色条纹之间的误差查找表err(u_p,v_p)，可由公式(6)求得：

err(u_p,v_p)＝Gray(u_p,v_p)-RGB(u_p,v_p). (6)

其中，Gray(u_p,v_p)和RGB(u_p,v_p)分别为黑白条纹和彩色条纹在投影平面下的绝对相位值；

步骤5：将投影彩色条纹图通过投影仪2投影到被测物体3表面，并通过工业相机4采集图像，获得水平方向和竖直方向的彩色变形条纹图像。经过解包裹算法和投影平面转换方程，得到基于投影平面的实物相位坐标：RGB_obj(u_p,v_p)；

步骤6：根据步骤3和4计算的RGB(u_p,v_p)和err(u_p,v_p)，对步骤5中待测实物的相位坐标RGB_obj(u_p,v_p)进行点对点的串扰补偿。基于最短距离搜索算法，对于RGB_obj(u_p,v_p)中某一点M(u_p,v_p)可以在RGB(u_p,v_p)中找寻一点P_min(u_p,v_p)作为最短距离坐标，对应于相机坐标系下误差查找表err(u_p,v_p)中一点N(u_p,v_p)为点M(u_p,v_p)的误差补偿量。

其中对待测实物RGB_obj(u_p,v_p)进行补偿，补偿后的绝对相位值RGB_ideal(u_p,v_p)可由公式(7)求得：

RGB_ideal(u_p,v_p)＝RGB(u_p,v_p)+err(u_p,v_p). (7)

步骤7：根据步骤6中得到补偿后的绝对相位值RGB_ideal(u_p,v_p)，经过投影平面转换方程还原得到的绝对相位PHI_h和PHI_ν(取其中的竖直方向PHI_v)，进而重建三维形貌。

根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。

总的来说，本发明在面结构光三维测量系统中，利用彩色复合光栅的多通道性的优势，只需投影3幅彩色光栅条纹图就能得到被测物体的三维形貌信息。创造性地提出了基于投影平面的串扰补偿，将绝对相位转换到投影平面上，点对点，全灰度值进行补偿。相比现有的彩色串扰补偿算法，本发明只需要建立一张误差查找表，进而能对待测物体全场绝对相位值补偿，获得高精度解包裹绝对相位。总的来说，本发明在彩色编码光栅三维测量中补偿彩色通道间的串扰和不平衡问题，同时还对其他黑白条纹和彩色条纹轮廓术中存在的误差进行消除，得到准确的相位信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。