[发明专利]一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于明暗反差大场景的高精度三维重建方法，更具体的说，本发明所提供的三维重建方法，可以实现明暗反差大场景下物体的高精度三维重建。

背景技术

三维重建方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照成像照明方式的不同，光学三维测量技术可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。在主动三维测量技术中，结构光三维测量技术发展最为迅速，尤其是相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，PMP)，也被称为相移测量轮廓术(Phase Shifting Profilometry，PSP)，是目前三维测量产品中常用的测量方法。相位测量方法是向被测物体上投射固定周期的按照三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最终完成一个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。由于目前采集到的图像的幅面较大，为了提高相位精度，需要向被测物体投射多个周期的相位图，因此，在一副图像中，相同相位值会出现多次。为了在图像中获得唯一的相位值，格雷码方法是常用的辅助解相方法。目前出现的三维测量产品，普遍采用格雷码加相移的光学投射方法，如德国GOM公司的Atos-I型结构光三维测量系统、德国Steinbichler公司的COMMET系列结构光三维测量系统、德国Breuckmann公司的optoTOP系列结构光三维测量系统、北京天远三维科技有限公司的OKIO-II型三维扫描仪、上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪、天津世纪动力光电科学仪器有限公司的CPOS三维扫描仪等。由于格雷码的编码方法主要靠图像的二值化来进行编码，因此对于复杂场景中的物体以及物体表面颜色变化较多的情况，一般需要喷涂显影剂才能实现较好的测量效果。

外差多频方法是暨格雷码方法之后提出的一种改进的三维重建方法，可以避免格雷码仅仅使用二值化来进行阈值分割的情况。外差多频的原理是利用三种不同频率的相移光栅，两两叠加出一种更长波形的光栅，再利用两个叠加后的光栅，最终叠加出全场唯一的相位。该方法由于需要进行三次叠加运算，如果背景复杂的情况下，叠加的相位存在很大的误差，大大影响测量效果。因此，外差多频方法虽然比格雷码方法具有一定的优越性，但是仍然不能解决复杂场景情况下的高精度三维重建难题。

为了解决明暗反差大以及无法喷涂显影剂的三维重建难题，本发明设计了一种新的三维重建方法，无需喷涂显影剂，就可以高精度的恢复复杂环境以及颜色变化较多的物体的三维形貌。

发明内容

本发明提供一种基于相移光栅的三维重建方法，该方法能够应用于高精度三维测量中，可以弥补格雷码和外差多频方法在三维重建过程中存在的缺陷。

所述的三维重建系统的硬件系统包括：

用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为L_R×L_C；

用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；

用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为C_R×C_C，相机个数为1-2个；

用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台；

本发明所设计的三维重建方法，具体操作步骤如下：

步骤1：选取合适的λ₁、λ₂、λ₃三种波长的正弦或者余弦函数光栅，所述的三种波长的光栅的用途是，经过所述光学投影装置转化为亮度信息后，可以向物体投射相移光栅。λ₁、λ₂、λ₃的数值不同，为了表述方便，本发明暂且假设λ₁＞λ₂＞λ₃，如果相移光栅为竖向排列，则三种波长应满足的关系如下式所示：

λ₁≥L_R λ₁＝Mλ₂ λ₂＝Nλ₃(M和N为整数)             公式(1)

如果相移光栅为横向排列，则三种波长应满足的关系如下：