[发明专利]一种基于结构光场成像的三维轮廓测量方法

权利要求书

1.一种基于结构光场成像的三维轮廓测量方法，其特征在于，建立由光场相机与投影仪构成的成像系统，投影仪向被测物体投射原始编码光栅，光场相机拍摄经被测物体轮廓调制后的编码光栅图像，对光场相机所拍摄得到的经被测物体轮廓调制后的编码光栅图像进行解码，根据解码后所得信息对物体轮廓进行三维重建；将三维轮廓测量问题归结为求解含有物点三维坐标三个未知数的三个方程，其中，对成像系统进行标定后，由待测物体成像于光场相机中心子孔径图像的过程确定二个方程，由采用解码后的图像信息确定第三个方程，通过求解上述三个方程构成的方程组，实现三维轮廓测量；

包括以下步骤：

第一步，以光场相机和投影仪构建成像系统，对该成像系统进行标定：投影仪向标定板投射原始编码光栅，光场相机拍摄得到经标定板调制的编码图像，采用传统的双目立体视觉标定方法，首先将投影仪视作“反相机”，对光场相机拍摄的调制编码图像进行解码，得到标定板特征点的编码信息，然后对光场相机丰富的光线信息处理，获得标定板特征点的深度信息，进而建立标定板特征点的编码信息与深度之间的对应关系，生成投影仪的DMD图像，最后，以光场相机的中心子孔径图像和投影仪的DMD图像为基础，得到投影仪和光场相机的内外参数矩阵：

其中，M₁为光场相机的内参矩阵，M₂为光场相机的外参矩阵，d为光场相机的微透镜直径，h_m′为光场相机的主透镜所在平面到微透镜所在平面的距离，(x₀,y₀)为光场相机中心子孔径图像的中心像素坐标，R_L、T_L分别为世界坐标系到光场相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；

其中，M₃为投影仪的内参矩阵，M₄为投影仪的外参矩阵，f_x为投影仪透镜的横向焦距，f_y为投影仪透镜的纵向焦距，(x_d0,y_d0)为DMD图像的中心像素坐标，R_P、T_P分别为世界坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移向量；

第二步，投影仪向被测物体投射编码光栅，用光场相机拍摄被测物体，得到经被测物体调制的编码图像；

第三步，根据光场相机的成像模型，得到两个方程；

对于空间一点P＝(x^w,y^w,z^w)^T，其经光场相机成像，在中心子孔径图像中的像为满足如下关系：

将其写成含有二个方程的方程组形式即为：

其中，(x^w,y^w,z^w)^T为待求解坐标，l₁～l₄、r₁～r₉、t₁～t₃为光场相机标定参数，为中心子孔径图像的像素坐标；

第四步，基于光场相机的中心子孔径图像，计算被测物体的包裹相位；光场相机的中心子孔径图像能够等效于传统相机拍摄所得的条纹图，中心子孔径图像信息包含背景光强、调制光栅信息、噪声信息，对中心子孔径图像进行处理，获得被测物体的包裹相位；

第五步，基于光场相机极图和内、外参数矩阵M₁、M₂，计算物点坐标并重投影至DMD图像平面，得到被测物体的重投影相位，光场相机记录了光线的位置信息和方向信息，而二维极图同时反映光线的位置和方向信息，基于极图理论并应用包括结构张量、深度学习算法计算检测直线斜率,实现深度估计，然后根据光场相机的内外参数矩阵M₁、M₂得到初始的三维坐标，最后根据投影仪内外参数矩阵M₃、M₄将物点重投影至DMD图像平面，得到被测物体的重投影相位；

第六步，用被测物体的包裹相位校正被测物体的重投影相位，实现包裹相位的解包裹，根据解包裹相位和投影仪成像模型建立第三个方程；若深度估计准确，则重投影相位即为最终解包裹相位，然而由于光场相机角度分辨率较低，所得深度精度较低，因此重投影相位误差较大，但同一物点的解包裹相位去周期化后应与包裹相位相等，且由中心子孔径所得的包裹相位相对准确，因此利用包裹相位对重投影相位进行校正，实现包裹相位的解包裹；对于物点P＝(x^w,y^w,z^w)^T，其经光场相机成像，在中心子孔径图像中的像为同时经投影仪“成像”，在DMD图像中的像对于每一点其解包裹相位通过第五步、第六步获得，记为φ_unw(P_SAI)，且校正后点P_D坐标由解包裹相位获得，当投影光栅周期沿y轴变化时，解包裹相位与y坐标一一对应，反之，当周期沿x轴变化时，解包裹相位与x坐标一一对应；假设，投影光栅周期沿y轴变化，则有

其中，f(·)为P_SAI的解包裹相位到P_D的y坐标的映射函数，该函数形式由所投编码光栅的形式决定；

另一方面，物点P成像于DMD图像中P_D的过程可由下式表示：

其中，(x^w,y^w,z^w)^T为待求解坐标，l₇～l₈、m₁～m₉、n₁～n₃为投影仪标定参数，为DMD图像的像素坐标，考虑到，坐标可由解包裹相位表示，则得到如下第三个方程：

第七步，分别对第三步与第六步得到的三个方程进行简化：将分母乘到等号右侧，然后移项，将未知数置于等号左侧、常数项置于等号右侧，最后合并同类项，得到如下方程组：

其中，l₁～l₄、l₇～l₈、r₁～r₉、m₁～m₉、t₁～t₃、n₁～n₃为系统标定参数，其值由第一步获得；(x^w,y^w,z^w)^T为待求解坐标，对于中心子孔径图像中每一点通过第五步和第六步解得其对应点在DMD图像中纵坐标然后解方程组，即求得其对应物点的三维坐标，遍历中心子孔径图像中所有点，求解相应的方程组，实现被测物体的三维重建。

2.根据权利要求1所述的基于结构光场成像的三维轮廓测量方法，其特征在于，所述标定板为其上设有一系列半径不等，圆心等距排列的标准圆，其圆心为特征点。