[发明专利]一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法

说明书

本发明提供了一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法主要包括以下步骤：1)生成四幅具有特殊相移编码形式面结构图案；2)将该四幅结构光图案通过投影仪投影至被测物体表面，同时相机同步采集对应的变形光栅；3)从被采集的四幅图像中同时反解出包裹相位及相移信息；4)从相移信息中解算得到级数信息，结合前一步得到的包裹相位，最终解算得到绝对相位信息；5)利用得到的绝对相位信息与测量系统标定结果，得到物体表面的三维重建结果。本发明提供的一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法仅需投射四张图像便可完成一次三维测量，可被广泛应用于高速、实时、高精度三维测量环境。

技术领域

本发明涉及一种三维重建方法，更进一步，涉及一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法。

背景技术

随着人工智能技术与计算机科学的不断发展，如何实现对对象的智能感知与快速测量成为亟待解决的技术问题。为了解决这个问题，大量不同的三维测量技术在各个行业的得到广泛应用，如工业流水线产品尺寸检测、逆向工程、虚拟现实等。由于各类三维测量的实现原理不同，其相对之间具有不同的技术特点。总的来说，三维测量技术总体发展的目标为：高精度、高速度、大尺度范围。

传统的三维测量技术可以分为两个大类：接触式三维测量与非接触式三维测量。接触式三维测量通过与被测物体的实际接触实现测量，是目前三维测量领域较为经典的技术形式。非接触式三维测量技术通过无线介质实现对物体的三维测量，如声、光、电磁等。其中三维光学测量技术相对于其他非接触式三维测量技术，具有精度高、易实现、速度快等特点，因此三维光学测量得到了大量的应用，同时发展出了不同的技术形式。

其中，基于面结构光(Structed light)的三维测量是三维光学测量技术中的典型代表。通过一个或多个工业相机与投影仪的组合，结构光法可以实现高精度、快速的三维测量。此外，结构光系统还具有成本低、系统配置简单等特点，便于控制成本和大规模的应用。结构光三维测量的基本技术过程是：使用计算机预制一组具有特定编码的结构光图案，并经过投影仪将其投射至被测物体表面，通过相机的同步采集，得到变形的结构光图案。通过提取被采集图像中的相位信息，结合标定得到的相机-投影仪系统光学模型，可以反解出被测物体的三维信息。作为结构光法的代表，传统的相移测量轮廓术(Phase ShiftingProfilometry)投射多幅具有相等间距相位移的正弦光栅图案来实现对物体的三维测量。为了准确的提取相位信息和展开包裹相位，单次测量常常需要投射12幅光栅(3频4步)。虽然相移测量轮廓术在测量精度上较其他结构光法具有巨大优势，但大量的待投射图片限制了相移测量轮廓术在高速、实时测量环境中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法的主要内容是生成四幅具有特殊编码方式的相移编码型面结构光，并通过本发明提出的相位解算算法对被采集图像进行相位信息的重新解算而得到绝对相位信息，将得到的绝对相位信息引入预先标定建立的系统三维坐标-相位对应模型，从而得到测物体表面的三维信息。该基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法仅仅需要投射四张图片来完成对物体的一次三维测量，并最终得到与传统方法同样精度的三维测量结果。同时该方法可实现与被捕捉图像像素密度相当的测量密度，得到具有高分辨率的三维测量结果。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于四步相移编码型面结构光的三维重建方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：生成四步相移编码的结构光图案，其表达式如下：