阅读说明：本技术 一种基于改进三步相移的彩色条纹投影三维测量方法 (Color fringe projection three-dimensional measurement method based on improved three-step phase shift ) 是由 段晓杰 刘广丽 汪剑鸣 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于改进三步相移的彩色条纹投影的三维测量方法,只需要采集一幅彩色条纹图像就可以实现待测物体的三维测量；其实现过程是：(1)将希尔伯特变换引入到三步相移法中,用一幅光强度与相移条纹图像直流分量相同的灰度图像代替传统三步相移法中的一幅条纹图像；(2)通过投影仪将编码后条纹投射至待测物体表面,再通过与投影仪呈一定角度设置的彩色面阵相机获取被物体调制后的变形彩色条纹图像；(3)从彩色条纹图像中分离出R、G、B三个通道图像；(4)利用改进的三步相移法从三幅灰度图像中计算出包裹相位图像；(5)通过相位解包裹算法得到连续相位分布图,最后再根据参数标定结果实现对待测物体的三维测量。(The invention discloses a three-dimensional measurement method based on color fringe projection with improved three-step phase shift, which can realize the three-dimensional measurement of an object to be measured only by acquiring a color fringe image; the realization process is as follows: (1) introducing Hilbert transform into a three-step phase shift method, and replacing a fringe image in the traditional three-step phase shift method with a gray image with the same light intensity as the direct-current component of the phase shift fringe image; (2) projecting the coded stripes to the surface of an object to be measured through a projector, and acquiring a deformed color stripe image modulated by the object through a color area array camera arranged at a certain angle with the projector; (3) separating R, G, B three channel images from the color stripe image; (4) calculating a wrapping phase image from the three gray level images by using an improved three-step phase shift method; (5) and obtaining a continuous phase distribution diagram through a phase unwrapping algorithm, and finally realizing three-dimensional measurement on the object to be measured according to a parameter calibration result.)

一种基于改进三步相移的彩色条纹投影三维测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于改进三步相移的彩色条纹投影三维测量方法，该方法通过计算机和数字投影仪来实现彩色结构光条纹的生成及投影，利用彩色面阵相机采集彩色条纹图像后再经计算机进行处理，从而实现对待测物体的三维测量；本发明属于光学三维测量技术领域，可用于对任意固定及形变物体的三维测量。

背景技术

现实生活中，常用的物体尺寸测量方式有刻度尺、游标卡尺、轮廓仪等，这些测量方式在生产生活中发挥着很大的作用，这些方法虽然简洁高效，但是测量精度通常不高；随着数字图像处理技术与机器视觉技术等相关技术的高速发展，人们对测量技术的精确度、测量速度、便捷程度要求越来越高，测量维度也逐渐由二维测量向三维测量发展；由于人眼检测在客观性、精确性、灵敏性等方面的局限性越来越大，在诸多应用领域难以达到符合要求的效果，因此人们不断尝试开发出具备与人类视觉能力相似的机器，从而保证测量任务的完成；三维测量按照测量方式的不同可分为接触式和非接触式：接触式测量方式的原理是基于靠模法的三维测量，三坐标测量机是接触式测量方式的典型代表，可替代多种面型测量工具及复杂的组合系统搭建，其测量精度可以达到微米级，同时物体表面的颜色、材质和纹理对测量过程没有明显影响；但测量速度较慢，对环境要求较高，在测量过程中容易损伤测量机的探头或者探头划伤被测物体；随着一些物理现象如声、光、电磁等在遇到物体表面时会发生相互作用，可以基于物理现象来获取物体表面的三维信息，这样非接触式三维测量方法就应运而生，与接触式测量方式相比，非接触式测量方式在测量过程中不需要与物体表面进行接触，能够测量柔软和脆性等特质的物体，因此具有更大的适用范围和更强的测量灵活性等优点，其中基于面结构光的光学三维测量技术因其具有测量视场大、精度高、速度快等特点，广泛应用于航天工程、工业自动检测、医疗工程等领域，其测量原理为通过仪器投射结构光至待测物体表面并采集对应数字图像，通过图像处理算法将待测物体的表面形状转换成几何点坐标形式的云数据，从而完成三维测量；该方法可以实现快速全场测量，其关键是相位测量，基于相移法的相位测量具有计算简单、抗噪声能力强等优点，而使用彩色条纹可以进一步提高相位测量的速度和精度，本发明在灰度相移法的基础上，改进了传统的三步相移法，将希尔伯特变换法引入到三步相移法中，通过一幅均匀灰度图像代替三步相移法中的一幅条纹图像，根据颜色编码原则把改进三步相移的三幅灰度图像编码成一幅彩色条纹图像，并设计出一种基于单幅彩色条纹图像的相位测量方法，从而进一步提高三维测量速度和效率。

发明内容

本发明的突出优点是采用彩色相移技术结合改进的三步相移法对待测物体进行三维测量，由于彩色条纹图像较灰度条纹图像具有更加丰富的信息量和更好的识别特征，本发明对传统的彩色相移技术进行了改进，所以本发明利用彩色条纹信息来进行三维测量成为一种新的方法；本发明采用的技术方案为一种基于改进三步相移的彩色条纹投影三维测量方法，包括下列步骤：

(1)在传统三步相移法的基础上进行了改进，将希尔伯特变换引入到三步相移法中，利用希尔伯特变换获取条纹图像中的直流分量，将该直流分量光强分布代替传统三步相移法中的一幅条纹图，根据颜色编码原则将改进三步相移的三幅灰度图像整体编码成一幅彩色条纹图像；

(2)通过彩色数字投影仪将步骤(1)中编码好的条纹投射至待测物体表面，然后利用与投影仪呈一定角度放置的彩色面阵摄像机获取被待测物体调制后的变形彩色条纹图像；

(3)对基于步骤(2)中获得的变形彩色条纹图像进行预处理；

(4)将步骤(3)中预处理后的彩色条纹图像分别分离出红、绿、蓝三个颜色通道的三幅灰度图像；

(5)对步骤(4)中得到的三幅灰度图像利用改进的三步相移法计算出与待测物体表面高度相关的包裹相位图像；

(6)对步骤(5)中计算出的包裹相位图像进行解包裹处理，采用基于横向剪切的四向最小二乘相位解包裹算法求出连续相位，最后根据相位-高度标定结果完成待测物体的三维测量；

步骤(1)中，在传统三步相移法中引入希尔伯特变换法，利用希尔伯特变换将三步相移法中第1、2幅条纹图像的相位差转换为π/2，再利用希尔伯特变换求得条纹图像的直流分量，并以该直流分量的光强分布代替第3幅条纹图像，最后根据RGB颜色模型和颜色编码方法把这三幅灰度图像编码成一幅彩色条纹图像；

步骤(2)中，构建测量系统硬件平台，包括数字彩色投影仪、彩色面阵相机和计算机，投影仪镜头距离待测物体所在平面1m左右，通过微调焦距使得投影图像清晰度达到最高，然后利用与投影仪呈一定角度放置的彩色面阵摄像机获取被待测物体调制后的变形彩色条纹图像，通过微调相机镜头的焦距和光圈大小，使得采集到的变形条纹图像效果最好；

步骤(3)中，对相机采集到经待测物体高度或深度信息调制后的变形彩色条纹图像进行预处理，主要为获取图像的滤波处理，采用改进的彩色图像矢量中值滤波方法进行滤波处理，以减少图像采集过程中引入的噪声，从而提高图像质量；

步骤(4)中，将滤波后的彩色条纹图像转化为R(Red，红)、G(Green，红)、B(Blue，红)三个单独颜色通道的三幅灰度图像，每个通道灰度图像的可以表示为：

步骤(5)中，利用改进的三步相移法求得物体的包裹相位为

步骤(6)中，由于反正切函数取值范围在(-π/2，π/2)之间，对进行相位解包裹处理，得到物体的实际连续相位，即其中W[·]是基于横向剪切的四向最小二乘相位解包裹运算，φ(x，y)是物体的连续相位，最后根据相位-高度标定结果实现对待测物体的三维测量。

本方法与现有技术相比较具有如下优点：

1.更快的测量速度：彩色条纹相移法只需要一次投影彩色条纹结构光即可完成对待测物体的三维测量，可以适用于快速、动态测量领域，彩色条纹图像由2幅灰度条纹图像和一幅均匀光强的平面图像编码而成，由于均匀光强的平面图像对外界环境变化的敏感度要低于条纹图像，因此测量的误差更小；

2.更快的计算速度：三步相移法求解相位值的反正切运算过程较为复杂，且引入了无理数运算；改进的三步相移法的相位计算公式较为简单且结构对称，因此运算速度更快；

3.更高的测量精度：由于数字投影仪与彩色面阵相机普遍存在伽马非线性效应，即使投影的均匀光强与正弦条纹光强均值相同，捕获的背景图光强分布与变形条纹图的直流分量光强分布并不相等，会引入测量误差，本发明在传统三步相移算法中引入希尔伯特变换，利用希尔伯特变换直接求得变形条纹图像的直流分量，作为背景光强，从而能有效提高测量精度。

附图说明

图1为改进的三步相移相位提取方法流程图；

图2为彩色编码条纹图；

图3为彩色相移法测量原理示意图；

图4为台阶模型三维测量的结果，其中(a)为受模型调制后的变形彩色条纹图像；(b)为通过改进三步相移法提取的包裹相位图像；(c)为对(b)进行相位解包裹处理后的解包裹相位图像；(d)为重建的三维结构图。

具体实施方式

本发明彩色相移法测量原理如图3所示，首先用软件编码生成一幅彩色条纹图像，通过彩色数字投影仪将其投影到待测物体表面，用与投影仪呈一定角度固定的彩色面阵相机采集一幅经待测物体高度或深度信息调制后的变形彩色条纹图像，然后输入至计算机；然后，采用改进的彩色图像矢量中值滤波方法进行图像滤波预处理，将滤波后的彩色条纹图像转换成三幅灰度条纹图像，再利用改进的三步相移算法求得图像中的条纹包裹相位信息，由于其相位分布在(-π/2，π/2)范围内；最后对包裹相位进行解包裹运算，进而获取该物体三维信息；下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施过程进行详细描述：

1.在传统的三步相移法的基础上进行改进

通过相机采集一幅余弦条纹图像，可以表示为：

式中a(x，y)和b(x，y)是缓变函数，可以视为常量；由于待测物体表面高度(深度)差将导致条纹相位信息发生变化，其变化量与物体高度(深度)信息有关；

对余弦灰度条纹图像进行第一次希尔伯特变换后得到：

其中直流分量a(x，y)被滤除掉，变换后的条纹相位移动了π/2，且与希尔伯特变换前的条纹成正交关系，即获得其正弦分量；

对I2(x，y)进行第二次希尔伯特变换后得到：

(1)式和(3)式相加可以得到条纹图的直流分量：

I₄(x，y)＝a(x，y) (4)

(2)式和(4)式相加得到：

联立式(1)、(4)和(5)三式，求解相位值：

其中，被限定在反正切函数的主值范围(-π，π)内，称之为包裹相位；

2.根据RGB颜色模型编码生成彩色条纹图像

把三幅灰度图像分别编码到R、G、B三个基本颜色通道中整体生成一幅彩色条纹图像，其中R通道和G通道都各携带一个振幅、频率相同的余弦条纹，且条纹图之间的相位差为π/2，B通道是强度值相等的灰度图；

3.利用彩色相移技术结合改进的三步相移法进行相位信息提取

将编码好的彩色条纹图像通过彩色数字投影仪投影至待测物体表面，再用彩色相机获取一幅变形后的彩色条纹图像，然后输入至计算机中；然后，采用改进的彩色图像矢量中值滤波方法进行图像滤波处理，以提高图像质量，再将滤波后的彩色条纹图转换成三幅灰度条纹图，再利用改进的三步相移法进行相位提取，计算出待测物体的包裹相位；

综上所述，彩色相移条纹的强度表达式可写为：

其中，I_R(x，y)、I_G(x，y)、I_B(x，y)分别表示每一个像素点在R、G、B三个通道上的强度值，运用改进的三步相移法进行相位提取，求得待测物体的包裹相位

4.对包裹相位图进行解包裹运算；

由于包裹相位是不连续的，将反三角运算引起的包裹相位恢复成连续相位的过程称为相位解包裹，本发明利用一种基于横向剪切的四向最小二乘相位解包裹运算获得待测物体的连续相位，最后根据参数标定结果重建出物体的三维轮廓，完成物体的三维测量；

其中，W[·]代表相位解包裹运算，φ(x，y)是待测物体的实际连续相位。