一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法
阅读说明：本技术 一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法 (Three-step coding and phase-decoding method based on phase-shift profilometry ) 是由 刘飞 杨时超 吴高旭 吴延雪 于 2020-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法,步骤包括：1)搭建结构光系统；2)调整相机和投影仪的位置,对整个结构光系统进行标定,保存标定参数；3)所述终端生成包含虚拟相移的三张光栅条纹图；4)所述终端将生成好的三张光栅图输出至投影仪；投影仪将三张光栅图投影到待测物体表面；相机采集待测物体表面的图像,并输出至终端；5)所述终端计算出包裹相位；6)所述终端计算出相移；最终通过绝对相位信息与标定参数计算待测物体表面点的三维坐标数据,完成待测物体的三维重建；本发明适用于所有的三维测量应用,和传统的三频四步相移相比,大大减少了投影图片的数量,达到高速测量的标准。(The invention discloses a three-step coding and phase-decoding method based on phase shift profilometry, which comprises the following steps: 1) building a structured light system; 2) adjusting the positions of the camera and the projector, calibrating the whole structured light system, and storing calibration parameters; 3) the terminal generates three grating fringe images containing virtual phase shift; 4) the terminal outputs the generated three raster images to a projector; projecting the three grating patterns to the surface of an object to be measured by a projector; the camera collects the image of the surface of the object to be detected and outputs the image to the terminal; 5) the terminal calculates a wrapping phase; 6) the terminal calculates the phase shift; finally, calculating three-dimensional coordinate data of the surface point of the object to be measured through absolute phase information and calibration parameters, and completing three-dimensional reconstruction of the object to be measured; the invention is suitable for all three-dimensional measurement applications, greatly reduces the number of projection pictures compared with the traditional three-frequency four-step phase shift, and reaches the standard of high-speed measurement.)
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，具体涉及一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法。
背景技术
近来，在医疗，工业，生物等领域高速三维测量的需求越来越大。因此对于三维测量方法的研究逐渐增加。目前来说三维测量的方法主要是分为两大类：接触式和非接触式。接触式以三坐标机为代表，因为其精度高重建性好得到了广泛的研究，但是接触式在一些特殊的环境中会有很大的限制。非接触式因为其不用接触、视角广、操作方便的优点得到了大量的研究。相移轮廓术作为非接触式三维测量中的一种，拥有高精度、高稳定性、无损等优势得到了研究者们的青睐。
相移轮廓术的操作步骤主要分为三步：1、生成包含信息的光栅图并投射到待测物体表面；2、用相机采集待测物体的表面信息传到电脑；3、电脑接收到图片进行信息提取进行重建。传统的三频四步相移法其中在计算过程中包括相移求包裹和三频外差展开相位。通过4张图片的相移法求到包裹相位，然后利用额外两种频率的包裹相位解开相位，也就是说需要额外的8张图片进行展开。大量的额外图片用来解开相位会降低采集的速率。在高速测量大量运用的今天，因图片的数量而导致速率降低使其在现代工业、医疗等高速测量领域受到了很大的限制。
发明内容
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法，包括如下步骤：
1)搭建结构光系统。其中，所述结构光系统包括终端、相机、投影仪和待测物体。所述相机和投影仪可通信的连接于所述终端。所述相机和投影仪分别布置在待测物体的两侧。
2)调整相机和投影仪的位置，待位置调整完毕后，对整个结构光系统进行标定，保存标定参数。
3)所述终端生成包含虚拟相移的三张光栅条纹图。光栅条纹图的公式如下：
式(1)中，I1、I2、I3分别是三张光栅图中每个像素点的光强值，A是平均光强，B是调制光强，其中，T是设置的周期数，x是光栅图横向的像素坐标，1024是光栅图横向的总像素点。
4)所述终端将生成好的三张光栅图输出至投影仪。所述投影仪将三张光栅图投影到待测物体表面。所述相机采集待测物体表面的图像，并输出至终端。
5)所述终端对三张光栅图进行信息提取，计算出包裹相位
6)所述终端对光栅图中α信息进行提取，并计算出相移α。
7)所述终端对光栅图中A信息进行提取，并计算出A的数值。
8)所述终端根据相移α和包裹相位计算出与每个周期相对应的阶梯值k。阶梯值k计算公式如下：
9)根据阶梯值k和包裹相位对相位进行展开，得到待测物体(4)表面的绝对相位φ。绝对相位φ计算公式如下：
10)所述终端通过绝对相位φ信息与步骤2)获得标定参数计算待测物体表面点的三维坐标数据，完成待测物体的三维重建。
进一步，在步骤5)中，通过三角函数计算出包裹相位计算公式如下：
式(4)中，arctan是反正切函数。
进一步，在步骤6)中，通过三个光强光栅公式的变换计算出α的数值，α计算公式如下：
进一步，在步骤7)中，数值A的计算包括如下步骤：
7.1)通过三角函数的特殊性对I1、I2进行变形，得到公式如下：
式(6)中，是0～2π变化的相位。
7.2)根据光栅图中正余弦函数的波峰波谷，求出的数值，分别记为T1和T2。
7.3)通过采集到的光强值I1、I2，将公式(6)转换为二元一次方程计算出A和B的数值。
进一步，在步骤8)中，k的数值范围为0～T，对应包裹相位的每一个周期。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供的一种基于相移轮廓术的三步编码解相法，和传统的三频四步相移轮廓术相比的有益效果在于：
1)本发明适用于各种传统相移轮廓术能够使用的场景，并且精度和稳定性和传统方法一致。
2)本发明在保证精度的情况下，大大的减少了图片的数量，提高了采集和投射图片的速率。使之能够实用于更多的动态测量环境。
3)本发明相比较于传统的方法能够实用于更多的动态测量环境，且能够对环境光起抑制作用。
4)本发明将空间解相和时间解相相结合，更好的利用了图片信息，使之得到的相位更加完整准确。
附图说明
图1为本发明的测量系统示意图；
图2为本发明的三维测量流程示意图；
图3为本发明使用的编码光栅示意图。
图中：终端1、相机2、投影仪3和待测物体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相移轮廓术的三步编码解相方法，包括如下步骤：
1)参见图1和图2，搭建结构光系统。其中，所述结构光系统包括终端1、相机2、投影仪3和待测物体4。所述相机2和投影仪3可通信的连接于所述终端1，终端1能够传输图片至投影仪3，并能够读取相机2采集到的图片。所述相机2和投影仪3分别布置在待测物体4的两侧。本实施例中，待测物体4具有弧形表面。
2)调整相机2和投影仪3的位置，保证投影仪3能够覆盖到待测物体4的待测表面，并保证相机2能够完全采集到投影仪3所投影的范围，待位置调整完毕后，对整个结构光系统进行标定，保存标定参数。
3)参见图3，所述终端1生成包含虚拟相移的三张光栅条纹图。光栅条纹图的公式如下：
式(1)中，I1、I2、I3分别是三张光栅图中每个像素点的光强值，A是平均光强，B是调制光强，其中，T是设置的周期数，x是光栅图横向的像素坐标，1024是光栅图横向的总像素点。
4)所述终端1将生成好的三张光栅图输出至投影仪3。所述投影仪3将三张光栅图投影到待测物体4表面。相机2采集因待测物体4表面弧形而产生变化的三张光栅图，并输出至终端1。
5)所述终端1对三张光栅图进行信息提取，通过三角函数的特殊性计算出包裹相位包裹相位计算公式如下：
式(2)中，arctan是反正切函数，由这个公式得到0-2π范围的周期性值。
6)所述终端1对光栅图中α信息进行提取，并计算出相移α。利用三个光强光栅公式的特殊性求到α的数值，α计算公式如下：
其中，A的数值是暂时的未知的，先需要在光强图上求到A的数值。
7)所述终端1对光栅图中A信息进行提取，并计算出A的数值。数值A的计算包括如下步骤：
7.1)通过三角函数的特殊性对I1、I2进行变形，得到公式如下：
式(4)中，是0～2π变化的相位。
7.2)根据光栅图中正余弦函数的波峰波谷，求出的数值，分别记为T1和T2。
7.3)通过采集到的光强值I1、I2，将公式(6)转换为二元一次方程计算出A和B的数值。根据求到A的数值求到α的数值
8)所述终端1根据相移α和包裹相位的特殊关系计算出与每个周期相对应的阶梯值k。阶梯值k计算公式如下：
其中，k的数值范围为0～T，对应包裹相位的每一个周期。
9)根据阶梯值k和包裹相位对相位进行展开，得到待测物体4的表面绝对相位φ，从而得到待测物体4表面的全面信息。绝对相位φ计算公式如下：
10)所述终端1通过绝对相位φ信息与步骤2)获得的标定参数计算待测物体4表面点的三维坐标数据，完成待测物体4的三维重建。
本实施例提供的一种基于相移轮廓术的三步编码解相法。通过在三张光栅图中加入虚拟的相移信息生成一种特殊编码的图片投影到被测物体表面。并且通过三角函数的关系计算出包裹相位和虚拟相移，不仅利用时间解相的方法，还可以将空间的信息利用起来提高稳定性和速率。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种基于相移轮廓术的三步编码解相方法，包括如下步骤：
1)参见图1和图2，搭建结构光系统。其中，所述结构光系统包括终端1、相机2、投影仪3和待测物体4。所述相机2和投影仪3可通信的连接于所述终端1，终端1能够传输图片至投影仪3，并能够读取相机2采集到的图片。所述相机2和投影仪3分别布置在待测物体4的两侧。本实施例中，待测物体4具有弧形表面。
2)调整相机2和投影仪3的位置，保证投影仪3能够覆盖到待测物体4的待测表面，并保证相机2能够完全采集到投影仪3所投影的范围，待位置调整完毕后，对整个结构光系统进行标定，保存标定参数。
3)参见图3，所述终端1生成包含虚拟相移的三张光栅条纹图。光栅条纹图的公式如下：
式(1)中，I1、I2、I3分别是三张光栅图中每个像素点的光强值，A是平均光强，B是调制光强，其中，T是设置的周期数，x是光栅图横向的像素坐标，1024是光栅图横向的总像素点。
4)所述终端1将生成好的三张光栅图输出至投影仪3。所述投影仪3将三张光栅图投影到待测物体4表面。相机2采集因待测物体4表面弧形而产生变化的三张光栅图，并输出至终端1。
5)所述终端1对三张光栅图进行信息提取，计算出包裹相位
6)所述终端1对光栅图中α信息进行提取，并计算出相移α。
7)所述终端1对光栅图中A信息进行提取，并计算出A的数值。
8)所述终端1根据相移α和包裹相位的特殊关系计算出与每个周期相对应的阶梯值k。阶梯值k计算公式如下：
其中，k的数值范围为0～T，对应包裹相位的每一个周期。
9)根据阶梯值k和包裹相位对相位进行展开，得到待测物体4的表面绝对相位φ，从而得到待测物体4表面的全面信息。绝对相位φ计算公式如下：
10)所述终端1通过绝对相位φ信息与步骤2)获得的标定参数计算待测物体4表面点的三维坐标数据，完成待测物体4的三维重建。
本实施例提供的一种基于相移轮廓术的三步编码解相法。通过在三张光栅图中加入虚拟的相移信息生成一种特殊编码的图片投影到被测物体表面，在保证精度的情况下，大大的减少了图片的数量，提高了采集和投射图片的速率。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，在步骤5)中，通过三角函数计算出包裹相位计算公式如下：
式(4)中，arctan是反正切函数，由这个公式得到0-2π范围的周期性值。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，在步骤6)中，通过三个光强光栅公式的变换计算出α的数值，α计算公式如下：
其中，A的数值是暂时的未知的，先需要在光强图上求到A的数值。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，在步骤7)中，数值A的计算包括如下步骤：
7.1)通过三角函数的特殊性对I1、I2进行变形，得到公式如下：
式(6)中，是0～2π变化的相位。
7.2)根据光栅图中正余弦函数的波峰波谷，求出的数值，分别记为T1和T2。
7.3)通过采集到的光强值I1、I2，将公式(6)转换为二元一次方程计算出A和B的数值。根据求到A的数值求到α的数值。
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