一种基于包裹相位正反的结构光编码方法
阅读说明：本技术 一种基于包裹相位正反的结构光编码方法 (Structured light coding method based on positive and negative wrapping phases ) 是由 刘飞 李文博 黄瀚霖 杨恬 杨炀 贺仁智 贾文超 傅渤雅 袁依琳 于 2020-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于包裹相位正反的结构光编码方法,1)搭建结构光测量系统；2)调整相机和投影仪的位置,保存标定参数；3)生成待使用的随机正反序列；4)根据生成的序列合成内含有正反序列信息的三张相移投影图像；5)将三张相移投影图像输出被测物体表面,采集经过被测物体表面调制变形后的三张条纹光栅图像；6)对三张条纹光栅图像进行解相,获得初始包裹相位；7)对初始包裹相位进行调整,获得调整后的包裹相位和周期数；8)计算出全场相位,进行三维重建；本发明方法适用于多数传统相移测量轮廓术,在保留原方法的精度、优点和实验需求的情况下,大幅减少了投影所需的图像数量。(The invention discloses a structured light coding method based on positive and negative wrapping phases, which comprises the following steps of 1) building a structured light measuring system; 2) adjusting the positions of the camera and the projector, and storing calibration parameters; 3) generating a random positive and negative sequence to be used; 4) synthesizing three phase-shifted projection images containing positive and negative sequence information according to the generated sequence; 5) outputting the three phase-shifted projection images to the surface of a measured object, and collecting three fringe grating images after the three fringe grating images are modulated and deformed by the surface of the measured object; 6) performing dephasing on the three fringe grating images to obtain an initial wrapping phase; 7) adjusting the initial wrapping phase to obtain the adjusted wrapping phase and the adjusted periodicity; 8) calculating a full-field phase, and performing three-dimensional reconstruction; the method is suitable for most of traditional phase shift profilometry, and greatly reduces the number of images required by projection under the condition of keeping the precision, advantages and experimental requirements of the original method.)
技术领域
本发明属于光学三维形貌测量技术领域，具体涉及一种基于包裹相位正反的结构光编码方法。
背景技术
现代科学技术不断发展，随着工业上对检测对象的需求增大，如何实现对被测物体智能、高速、高精度的测量是现阶段亟待解决的技术难题。为了解决这个问题，许多不同种类的三维测量技术由此诞生，在如工业流水线产品尺寸检测、逆向工程、虚拟现实等领域受到了广泛应用。
三维测量技术根据是否与被测物体接触可分为：接触式与非接触式。相比于接触式测量，非接触式测量有着无破坏性，高效率，工作距离大等优点。而在众多的非接触式三维测量技术中，基于面结构光的三维视觉重建拥有精度高、易于实现、实时性强等特点，其中相移测量轮廓术(PhaseShifting Profilometry)方法的面结构光三维重建技术更是受到众多研究者的重视，近年来成为视觉重建领域的研究热点。
面对工业对测量速度追求越来越高的现代，该相移测量轮廓术尚且存在一些问题，为了获取被测物体的相位信息，通常在单次测量中需要投射9幅光栅图像(三频3步方法)，其中真正需要展开的是最高频率下的包裹相位，而其余图像只是为了解包裹相位而投射，大量的待投射图像限制了相移测量轮廓术在现代工业中高速、实时环境中的测量应用。
发明内容
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于包裹相位正反的结构光编码方法，包括如下步骤：
1)搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机、相机、投影仪和被测物体。所述相机、投影仪可通信的连接于所述计算机。所述相机和投影仪分别布置在被测物体的前侧。
2)调整相机和投影仪的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，保存标定参数。
3)所述计算机生成待使用的随机正反序列，序列由0码与1码组成,其总长度为L＝2m，对应于投影条纹的周期数，m为子序列的长度。
4)所述计算机根据生成的序列合成内含有正反序列信息的三张相移投影图像。
5)所述计算机将三张相移投影图像输出至投影仪。所述投影仪将三张相移投影图像投影到被测物体表面。所述相机采集经过被测物体表面调制变形后的三张条纹光栅图像，并输出至计算机。
6)所述计算机对三张条纹光栅图像进行解相，获得初始包裹相位φo(x,y)。解相公式如下：
式(1)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别为相机采集的三张条纹光栅图像在像素坐标(x,y)上的灰度值。
7)所述计算机将初始包裹相位φo(x,y)中含有的正反序列信息与步骤3)中的正反序列进行对比，调整初始包裹相位φo(x,y)从而获得调整后的包裹相位φr(x,y)，以及包裹相位φr(x,y)各部分对应的周期数k。
8)所述计算机根据调整后的包裹相位φr(x,y)和周期数k，计算出绝对相位Φ(x,y)。
9)所述计算机通过绝对相位信息与步骤2)获得的标定参数计算被测物体表面点的三维坐标数据，完成被测物体的三维重建。
进一步，在步骤4)中，在所述计算机合成内含有正反序列信息的三张相移投影图像的过程中，所述计算机对于0码与1码，针对三步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹与1条纹，具体每级条纹形式如下：
式(2)中，其中n＝1,2,3，对应三步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W0为每级条纹所占的像素宽度，且其中，W为投影仪投射单幅图像的宽度，T为条纹周期数，(x0,y0)为单级条纹内的像素点坐标，为相移步长，相移步长分别为
进一步，在步骤7)中，对初始包裹相位φo(x,y)进行调整的过程中，通过搜索、对比相移投影图像的光栅条纹的正反序列和采集的条纹光栅图像的光栅条纹正反序列，找到采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的相移投影图像光栅，从而确定采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的周期数k。
进一步，在步骤8)中，绝对相位Φ(x,y)计算公式如下：
Φ(x,y)＝φr(x,y)+2πk (3)
本发明的技术效果是毋庸置疑的，其相比传统相移测量轮廓术的有益效果在于：
1、本发明方法适用于多数传统相移测量轮廓术，在保留原方法的精度、优点和实验需求的情况下，大幅减少了投影所需的图像数量。
2、本发明方法通过在传统条纹中引入正反序列，更好的利用了传统方法中所浪费的空间信息进行解相，提高了效率。
3、本发明方法相比传统相移测量轮廓术更适合在高速环境中进行测量，且能够激活相机与投影仪更大的实用潜力。
附图说明
图1为本发明的基于正反序列的结构光编码方法的测量系统示意图；
图2为本发明的基于正反序列的结构光编码方法的流程示意图；
图3为本发明的基于正反序列的结构光编码方法所生成的条纹图像示意图；
图4为本发明的该基于正反序列的结构光编码方法所得到的初始包裹相位φo图。
图中：计算机1、相机2、投影仪3和被测物体4。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种基于包裹相位正反的结构光编码方法，以三步相移方法，16条纹周期，德布鲁因序列为例，包括如下步骤：
1)参见图1和图2，搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机1、相机2、投影仪3和被测物体4。所述相机2、投影仪3可通信的连接于所述计算机1。所述相机2和投影仪3分别布置在被测物体4的前侧，该结构光测量系统的布置应尽量保证让投影仪3与相机1的公共视场足够大，且被测物体的被测特征应被该投影仪3所投射的光栅所覆盖。本实施例中，该投影仪3与该相机2二者的光轴相交，投影区域相互重叠，且该被测物体4正好位于二者的公共视场内。
2)调整相机2和投影仪3的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，标定的投影仪3-相机2系统相位与坐标关系。
3)所述计算机1生成待使用的德布鲁因正反序列，序列由0码与1码组成,其总长度为L＝2m，对应于投影条纹的周期数，m为子序列的长度。
4)对于0码与1码，针对三步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹与1条纹，具体每级条纹形式如下：
式(1)中，其中n＝1,2,3，对应三步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W0为每级条纹所占的像素宽度(单位个)，且其中，W为投影仪3投射单幅图像的宽度，T为条纹周期数，(x0,y0)为单级条纹内的像素点坐标，Tn(x0,y0)为单级条纹内像素点坐标(x0,y0)处的光强值，为相移步长，相移步长分别为
根据前面所生成的正反序列设计投射的光栅图像，对每一步相移图像中的每一级条纹进行对应赋值，0码对应0条纹，1码对应1条纹，长度为L的正反序列对应T个条纹周期，最终合成为内含有正反序列信息的三张相移投影图像I1,I2,I3，即三张编码结构光光栅图像，如图3所示。
5)所述计算机1将三张相移投影图像I1,I2,I3输出至投影仪3。所述投影仪3将三张相移投影图像I1,I2,I3投影到被测物体4表面。所述相机2采集经过被测物体4表面调制变形后的三张条纹光栅图像，并输出至计算机1保存。
6)所述计算机1对三张条纹光栅图像使用三步相移算法进行解相，获得初始包裹相位φo(x,y)，初始的包裹相位φo图参见图4。解相公式如下：
式(2)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别为相机2采集的三张条纹光栅图像在像素坐标(x,y)上的灰度值。
7)所述计算机1将初始包裹相位φo(x,y)中含有的正反序列信息与步骤3)中的正反序列进行对比，调整初始包裹相位φo(x,y)从而获得调整后的包裹相位φr(x,y)，以及包裹相位φr(x,y)各部分对应的周期数k。具体的，通过搜索、对比相移投影图像的光栅条纹的正反序列和采集的条纹光栅图像的光栅条纹正反序列，找到采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的相移投影图像光栅，从而确定采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的周期数k。
8)所述计算机1根据调整后的包裹相位φr(x,y)和周期数k，计算出绝对相位Φ(x,y)，即全场相位，绝对相位Φ(x,y)计算公式如下：
Φ(x,y)＝φr(x,y)+2πk (3)
9)所述计算机1通过绝对相位信息与步骤2)获得的投影仪3-相机2系统相位与坐标关系，计算被测物体4表面点的三维坐标数据，完成被测物体4的三维重建。
本实施例提供的一种基于包裹相位正反的结构光编码方法，通过生成一组包含有正反序列信息的相移面结构光图像，用投影仪3投射到被测物体4上。并通过相对应的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的解算得到初始包裹相位信息，同时将拍摄图像中蕴含的序列信息提取出来与初始生成的序列进行对比，参考其空间信息以展开包裹相位，达到提高三维重建精度。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种基于包裹相位正反的结构光编码方法，以三步相移方法，16条纹周期，德布鲁因序列为例，包括如下步骤：
1)参见图1和图2，搭建结构光测量系统。所述结构光测量系统包括计算机1、相机2、投影仪3和被测物体4。所述相机2、投影仪3可通信的连接于所述计算机1。所述相机2和投影仪3分别布置在被测物体4的前侧，该结构光测量系统的布置应尽量保证让投影仪3与相机1的公共视场足够大，且被测物体的被测特征应被该投影仪3所投射的光栅所覆盖。本实施例中，该投影仪3与该相机2二者的光轴相交，投影区域相互重叠，且该被测物体4正好位于二者的公共视场内。
2)调整相机2和投影仪3的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光测量系统进行标定，标定的投影仪3-相机2系统相位与坐标关系。
3)所述计算机1生成待使用的德布鲁因正反序列，序列由0码与1码组成,其总长度为L＝2m，对应于投影条纹的周期数，m为子序列的长度。
4)所述计算机1根据生成的序列合成内含有正反序列信息的三张相移投影图像I1,I2,I3。即三张编码结构光光栅图像，如图3所示。
5)所述计算机1将三张相移投影图像I1,I2,I3输出至投影仪3。所述投影仪3将三张相移投影图像I1,I2,I3投影到被测物体4表面。所述相机2采集经过被测物体4表面调制变形后的三张条纹光栅图像，并输出至计算机1保存。
6)所述计算机1对三张条纹光栅图像使用三步相移算法进行解相，获得初始包裹相位φo(x,y)，初始的包裹相位φo图参见图4。解相公式如下：
式(1)中，I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)分别为相机2采集的三张条纹光栅图像在像素坐标(x,y)上的灰度值。
7)所述计算机1将初始包裹相位φo(x,y)中含有的正反序列信息与步骤3)中的正反序列进行对比，调整初始包裹相位φo(x,y)从而获得调整后的包裹相位φr(x,y)，以及包裹相位φr(x,y)各部分对应的周期数k。
8)所述计算机1根据调整后的包裹相位φr(x,y)和周期数k，计算出绝对相位Φ(x,y)，即全场相位。
9)所述计算机1通过绝对相位信息与步骤2)获得的投影仪3-相机2系统相位与坐标关系，计算被测物体4表面点的三维坐标数据，完成被测物体4的三维重建。
本实施例提供的一种基于包裹相位正反的结构光编码方法，通过生成一组包含有正反序列信息的相移面结构光图像，用投影仪3投射到被测物体4上。并通过相对应的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的解算得到初始包裹相位信息，同时将拍摄图像中蕴含的序列信息提取出来与初始生成的序列进行对比，参考其空间信息以展开包裹相位，达到提高三维重建精度。
实施例3：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤4)中，在所述计算机1合成内含有正反序列信息的三张相移投影图像的过程中，所述计算机1对于0码与1码，针对三步相移中的每步相移条纹都设计出对应的0条纹与1条纹，具体每级条纹形式如下：
式(2)中，其中n＝1,2,3，对应三步相移中每一步相移图像，A为直流分量，B为振幅，W0为每级条纹所占的像素宽度(单位个)，且其中，W为投影仪3投射单幅图像的宽度，T为条纹周期数，(x0,y0)为单级条纹内的像素点坐标，为相移步长，相移步长分别为
根据前面所生成的正反序列设计投射的光栅图像，对每一步相移图像中的每一级条纹进行对应赋值，0码对应0条纹，1码对应1条纹，长度为L的正反序列对应T个条纹周期，最终合成为内含有正反序列信息的三张相移投影图像I1,I2,I3。
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例3，进一步，在步骤7)中，对初始包裹相位φo(x,y)进行调整的过程中，通过搜索、对比相移投影图像的光栅条纹的正反序列和采集的条纹光栅图像的光栅条纹正反序列，找到采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的相移投影图像光栅，从而确定采集的条纹光栅图像的每一个光栅对应的周期数k。
实施例5：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤8)中，绝对相位Φ(x,y)计算公式如下：
Φ(x,y)＝φr(x,y)+2πk (3)。
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