[发明专利]一种基于结构光场成像的三维轮廓测量方法

说明书

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。

技术领域

本文涉及三维成像技术，尤其涉及一种基于结构光场成像的三维轮廓测量方法，可以用于自动化、工业检测、医学检测等诸多领域。

背景技术

三维轮廓测量技术分为接触式和非接触式测量，其中非接触式测量又分为主动式测量和被动式测量。主动式测量方法包含结构光法、激光三角法等。其中相位测量轮廓术是一种基于结构光法的三维轮廓测量技术，该技术首先向物体表面投射结构光栅，其次使用传统相机拍摄经物体表面轮廓调制的光栅条纹图，然后对该光栅条纹图进行处理得到包裹相位，通过对包裹相位进行解包裹得到解包裹相位，最后根据解包裹相位实现三维重建。相位测量轮廓术的特点在于精度较高，但难以实现实时测量，而传统的解包裹算法：遗传算法、多频外差等，这些算法都无法实现三维轮廓的实时测量。被动式测量方法包含立体视觉方法等，其具有结构轻便、数据采集迅速等优点，但其立体匹配精度、光线信息丢失等问题导致三维重建精度较差。

发明内容

光场相机能够记录三维空间中光线的位置信息和角度信息，从而建立几何约束重建物体的三维信息。本发明通过构建由光场相机和投影仪组成的成像系统，投影仪对被测物体投射编码光栅，并用光场相机进行拍摄，然后对所得图像进行解相，最后根据所得相位对物体轮廓进行三维重建。其中，使用光场相机获取富含深度编码信息的光线信息，实现三维重建，是本发明的核心所在。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：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。

进一步的，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；