[发明专利]一种基于多视角的高精度实时三维彩色测量系统及其方法

说明书

本发明公开了一种基于多视角的高精度实时三维彩色测量系统及其方法，包括四台黑白相机、彩色相机、投影仪、计算机，其中四台黑白相机对称于投影仪的中轴线，并且投影仪一侧各放置两个黑白相机，彩色相机设置在任意一侧并位于黑白相机的外侧，所有相机通过数据线与计算机连接，通过触发线与投影仪连接；所述的投影仪投影出三步相移条纹并同时产生与投影速率相同的触发信号，触发信号通过触发线传送给四台黑白相机和彩色相机，所有相机在触发信号的驱动下同步拍摄由投影仪投出经过被测物体调制的相移图像，拍摄到的相移图像通过数据线传给计算机，由计算机处理得到彩色纹理映射。本发明能够保证了相移轮廓术最高测量效率的前提下实现了高精度实时测量。

技术领域

本发明属于三维成像技术领域，特别是一种基于多视角的高精度实时三维彩色测量系统及其方法。

背景技术

在三维成像领域，快速获取目标物体的高精度三维数据一直以来都是一个重要的技术难点。早期人们通过机械的三坐标测量机来对目标物体逐点探测以获取三维图像，但是这种逐点接触式的图像获取技术一方面效率极其低下，另一方面对被测物体有所损坏，这些缺点使得该技术在诸如人体检测，文物保护等领域难以得到应用。相比于传统的机械三维图像获取技术，光学三维图像获取技术由于其非接触，高效率的优点在科学研究，工业检测等领域得到了广泛应用。近些年来由于数字投影设备的发展，光学三维成像方法中能够实现全场成像的条纹投影技术更是成为了研究热点(S.S.Gorthi and P.Rastogi,“Fringe projection techniques:whither we are？”Opt.Eng.48,133–140(2010).)。目前条纹投影领域中主流的两种技术分别是傅里叶轮廓术(M.Takeda and K.Mutoh,“Fouriertransform profilometry for the automatic measurement of 3-d object shapes,”Applied optics 22,3977-3982(1983).)与相移轮廓术(V.Srinivasan,H.-C.Liu,andM.Halioua,“Automated phase-measuring profilometry of 3-d diffuse objects,”Applied optics 23,3105-3108(1984).)。

相比于傅里叶轮廓术，相移轮廓术由于对环境光和噪声不敏感以及计算简单更适合自动化高精度三维图像的获取。相移轮廓术的一个难点在于如何展开通过相移法得到的包裹相位。目前主流的相位展开方法包括时域相位展开与空域相位展开，时域相位展开可以稳定地展开任意表面的包裹相位，但是过多的光栅条纹会极大的影响相位获取的效率从而影响三维图像获取的速度(效率)(陈钱；冯世杰；顾国华；左超；孙佳嵩；喻士领；申国辰；李如斌.基于双频三灰阶正弦光栅条纹投影的时间相位去包裹方法:中国,201410027275.4[I].2013-04-30.)，这会降低相移轮廓术的测量效率从而降低其测量运动物体的能力。另一方面，空域虽然能够保证相位展开的效率，但是在测量不连续表面或者是复杂表面时非常不稳定，容易出现相位展开错误。

基于相移轮廓术的三维成像技术相比于其他方法在测量方式，成像效率与成像精度上有着很大优势并在诸如文物保护、人体检测等领域有着广泛应用，但是目前的相移轮廓术大多数都是着力于静态场景测量，尽管测量精度较高，但是测量效率都极其低下。尽管现在也有动态相移轮廓术方面的工作，但是与静态测量相反，它们都普遍在牺牲测量精度的前提下获取测量效率或者速度的提升。随着工业测量的发展，测量要求不断提高，因此研制同时兼备测量效率，速度以及精度的三维扫描系统势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多视角的高精度实时三维彩色测量系统及其方法，通过多视角系统中不同视角的夹角与基线长度对相位展开的稳定性以及成像精度的影响，并给出了视角相对空间位置的优化，并结合多视角成像系统在保证相移轮廓术最高测量效率的前提下实现了高精度实时测量。