[发明专利]基于时域空域混合编码的结构光条纹投射方法

说明书

本发明涉及视觉检测技术中的结构光投射条纹编码方法，为使得结构光测量方法编码原理相对简单，测量速度较快，鲁棒性强，且获得的测量结果具有亚像素级精度等优点。本发明采用的技术方案是，基于时域空域混合编码的结构光条纹投射方法，包括编码投影步骤、条纹检测步骤；编码投影步骤包括时域编码、空域编码；然后进行条纹检测。本发明主要应用于视觉检测场合。

技术领域

本发明涉及视觉检测技术中的结构光投射条纹编码方法，具体涉及一种基于时域空域混合编码的结构光条纹投射方法。

背景技术

结构光三维视觉测量技术，具有视觉测量的非接触、速度快、自动化程度高，柔性好等优点。结构光三维视觉基于光学三角法原理，通过计算采集图像的各种光模式特征点的偏移信息反算出被测物体的表面轮廓。光学投射器投射确定的光模式，使得结构光图像信息易于提取，因而测量精度较高，广泛应用于各种工业产品的在线检测。

面结构光投射方式相比较于点结构光和线结构光具有不需要运动机构协助，可实现实时测量，系统成本低等优点在近些年来得到了发展。因结构光光学投射器投射出的图案和摄像机需要拍摄的图片数量不同，可以分为彩色编码投射法，灰度编码法，基于傅里叶变换的投射方法，条纹序列投射法和混合图案投射法等。其中彩色编码投射法只需要拍摄一幅图片就可以完成测量，但是其缺点也显而易见，在测量部分彩色物体时，这种方法的测量信息会受到被测物表面颜色的干扰，使测量结果变得不可靠。灰度编码法同样需要拍摄一幅图片就可以完成测量，并且测量结果不受被测物表面色彩的干扰，但是由于其解码原理是在空域上实现的，因此为了测量表面不连续的物体这种方法编码时需要采用pseudo随机二维序列(PRBA)的原理实现。基于傅里叶变换的条纹投射方法是一种比较经典的空域结构光测量方法，但是如何防止其频谱泄露一直是难以解决的问题，而且这种方法解相位算法复杂，不适合测量表面不连续的物体，在具体应用时具有较多问题。条纹序列投射法是一种时域条纹投射方法，可以测量具有任意表面特征的物体，但是由于其需要拍摄的图像过多，在实际测量时难以提高测量速度。当测量速度的要求不是很高时，可以将以上的两种或更多的方法结合来进行测量，这就是混合图案投射法。一种比较经典的方法就是格雷码结合相移的方法，这种方法不仅克服了相移法解相位算法复杂的问题，而且也相较于格雷码测量方法具有更高的测量精度。斯坦福大学的Hall-HoltO等人设计了一种条纹投射方法，通过投射四幅不同的二值条纹图案实现了三维形貌测量，但是这种方法只能达到像素级精度且测量结果容易受被测物表面纹理的影响。清华大学徐静等人设计了一种时域结合空域编码的条纹投射方法，通过投射三幅不同的二值条纹图案，实现了物体表面的三维形貌测量。但是这种方法提取条纹亚像素级坐标方法困难，并且各条纹之间具有较多约束，因而编码过程较为复杂。总结上述研究可以发现，一种好的条纹投射方法不仅要求编码方法相对简单，测量精度高，鲁棒性强，且要求需要拍摄的图像数量尽量少。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种时域结合空域混合编码的结构光投射方式，使得结构光测量方法编码原理相对简单，测量速度较快，鲁棒性强，且获得的测量结果具有亚像素级精度等优点。本发明采用的技术方案是，基于时域空域混合编码的结构光条纹投射方法，包括编码投影步骤、条纹检测步骤；

编码投影步骤包括时域编码、空域编码，时域编码具体是，采用十进制来表述在时域上的编码方式，单个周期的投影条纹随着时间变化有001,010,011,100,101,110六种编码情况，在这里，001代表投影仪投射的第一幅图像和第二幅图像的条纹编码值是0，而对应的第三幅图像的编码值是1，其中0对应着相应图像中的暗条纹，1对应着相应图像中的亮条纹，将每个周期条纹的灰度分布设计为正弦式分布，如条纹编码为1，则投射出的条纹灰度按正弦波的上半部分规律分布，反之，则按正弦波的下半部分规律分布，其具体约束如式(1)：

其中，(u_i,v_i)为图像坐标，w为每个条纹的周期宽度，(1)中上式为条纹编码值为1的条纹灰度分布规律，下式则为条纹编码值为0的条纹灰度分布规律；