[发明专利]基于二值相移图案的三维测量方法有效

专利信息
申请号: 201510301362.9 申请日: 2015-06-05
公开(公告)号: CN105157614B 公开(公告)日: 2017-11-07
发明(设计)人: 刘凯;龙云飞;吴炜;杨晓敏;许斌 申请(专利权)人: 四川大学
主分类号: G01B11/25 分类号: G01B11/25
代理公司: 北京超凡志成知识产权代理事务所(普通合伙)11371 代理人: 吴开磊
地址: 610065 四川*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 基于 相移 图案 三维 测量方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及光学三维传感技术,特别是涉及通过投影二值编码图案对目标物体表面的三维测量。

背景技术

目前,结构光测量技术是高精度三维重建的主流技术。其中,相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,简称PMP)是一种经典的结构光三维测量方法,具有测量精度高、对环境光和被测物体纹理等干扰因素不敏感的优点。PMP采用具有相移的正弦结构光图案序列,利用捕捉到的图像序列计算相位,并通过相位信息获取被测物体表面的三维坐标。然而,PMP有以下缺点,首先,由于PMP采用正弦灰度图案,系统非线性将导致测量误差,为了减少该误差,需要进行繁琐的非线性校正;其次,目前投影设备投影二值图案的帧率远远高于投影灰度图案的帧率,而PMP采用灰度图案,故其扫描速度受到限制,不利于实时三维测量。为了克服PMP的上述缺点,论文“Lei S, Zhang S. Flexible 3-D shape measurement using projector defocusing[J]. Optics Letters, 2009, 34(20): 3080-3082”介绍了基于二值图案的离焦测量方法,该方法用二值相移图案替代PMP中的正弦相移图案,通过对投影设备离焦使捕捉图像的亮度满足近似正弦分布,最后用相位测量轮廓术的相位计算公式得到相位。但现有基于二值图案的离焦测量方法由于需要使投影设备离焦,有以下缺点:1)投影亮度的动态范围缩小,导致捕捉图像的信噪比降低;2)离焦后无法使用常规标定方法,系统标定的复杂程度增加。3)该方法对被测物体深度的变化敏感。如何既能发挥二值图案扫描速度快、无需非线性校正的优点,又能克服投影设备离焦带来的缺点,应用本发明提及的方案就可以解决这一关键技术问题。

发明内容

本发明针对基于二值图案的离焦测量方法图像信噪比低、系统标定复杂、对深度变化敏感的缺陷,提出一种基于二值相移图案的三维测量方法,该方法无需使投影设备离焦,所以不仅能克服离焦导致的上述缺陷,还继承了二值图案扫描速度快、无需非线性校正的优点。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的:

使用已对焦的投影设备和摄像装置,用投影设备向被测物体投影多组用空间方波编码的二值图案序列,每组图案具有一个特定空间频率,其中一组图案的空间频率为1,每组图案中相邻图案之间存在固定相移量,总相移量为一个周期,用摄像装置记录下对应的图像序列,把相位测量轮廓术的相位计算公式分别应用于不同频率的图像,得到基频相位和多个高频截断相位,根据时间相位展开方法得到绝对相位,根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维坐标。

本发明与现有技术相比有如下优点:

由于本发明采用二值图案,能实现高速三维测量,以及无需非线性校正。同时,由于本发明无需离焦,与现有基于二值图案的离焦测量方法相比,能达到更高的信噪比,系统标定更简单,能精确测量深度变化大的场景。

附图说明

图1为本发明基于二值相移图案的三维测量方法的工作流程图。

具体实施方式

采用的装置有1台CASIO XJ-M140投影机,投影机缓存帧大小为像素,灰度量化等级为8bit;1个Prosilica GC650工业摄像头,分辨率为像素,灰度量化等级为8bit。1台具有Core i3 3530 CPU,4GB内存的计算机,由计算机对结构光投影和拍摄过程进行控制。附图1为本实施例基于二值相移图案的三维测量方法的工作流程图。本实例具体实施步骤如下:

(1)对摄像头和投影机调焦,使其准确对焦。

(2)对摄像头和投影机进行标定,分别得到摄像头与投影机大小为的投影矩阵、。

(3)生成二值相移图案。二值相移图案是由正弦相移图案生成。正弦相移图案可以表示为:

(1)

其中,为正弦相移图案在处的灰度值, f为图案的空间频率,表示投影机空间的高度, N为相移总步数,n为相移系数,和为常数,满足。本实例正弦结构光图案的参数为,相移总数N=40,按空间频率分为5组,各组图案的空间频率分别取f=1、2、10、32、64。从正弦图案转换为二值图案的公式为:

(2)

其中,表示二值相移图案在处的灰度值。

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