[发明专利]基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法

权利要求书

1.一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法，其特征在于，摒弃了传统360°测量方法中对高精度步进电机及附加标志物的依赖，通过提取约束点，获取相邻测量间的变换参数，以此为依据将多次测量结果统一到同一物体坐标系下；同时，建立了闭合优化环路，根据环路构建残差方程，通过优化该残差方程获取全局最优的变换参数，减少误差累积；该方法包括标定投影仪-摄像机系统、采集图像、重建单次测量结果、提取约束点、计算变换参数和统一坐标系六个步骤：步骤1、标定投影仪-摄像机系统，利用现有方法对双摄像机和投影仪组成的系统进行标定，获取该系统的内参，外参及双摄像机间的本征矩阵E；步骤2、采集图像，包括变形条纹的采集及物体纹理图像的采集；步骤3、重建单次测量结果，利用步骤1和步骤2获取的信息，计算单次测量中的物体表面的绝对相位信息，并重建该物体表面的三维点云；步骤4、提取约束点，根据特征相位约束条件，获取约束点的二维索引，结合步骤3重建的点云信息，提取约束点；步骤5、计算变换参数、通过约束点，粗略计算出相邻测量间物体或系统移动的变换参数，以第一次测量结果与最后一次测量结果为依据构建闭合优化环路，建立残差方程优化变换参数；步骤6、统一坐标系、根据变换参数与空间转换关系将多次测量结果统一到同一物体坐标系下，完成物体的360°重建。

2.根据权利要求1所述的一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法，其特征在于，为提取第i次与第i+1次测量间的约束点，i大等于1且小于测量总次数，首先利用第i次测量中摄像机A拍摄的图像Image_A(i)与第i+1次测量中摄像机B拍摄的图像Image_B(i+1)建立特征约束；通过获取的绝对相位信息Φ在Image_A(i+1)与Image_B(i+1)之间建立相位约束；结合特征约束与相位约束，得到Image_A(i)与Image_A(i+1)之间的约束点的二维索引；令在Image_A(i)与Image_B(i+1)中通过特征点算法提取并匹配的二维特征点集合分别为(m^j_A(i),n^j_A(i))与(u^j_B(i+1),v^j_B(i+1))，Image_A(i)中(m^j_A(i),n^j_A(i))对应的位于Image_A(i+1)上的约束点索引为(u^j_A(i+1),v^j_A(i+1))，其中j表示点集中的第j个点；则(m^j_A(i),n^j_A(i))与(u^j_A(i+1),v^j_A(i+1))的关系可用公式(1)推导获取；

其中，Φ_A(i+1)、Φ_B(i+1)分别为摄像机A、B在第i+1次测量获取的绝对相位信息，E为双摄像机间本征矩阵，2D_Match为二维特征匹配算法；根据(m^j_A(i),n^j_A(i))与(u^j_A(i+1),v^j_A(i+1))从第i次测量重建的点云P_i与第i+1次测量重建的点云P_i+1中索引得到该两次测量的约束点集合P_i(m^j_A(i),n^j_A(i))与P_i+1(u^j_A(i+1),v^j_A(i+1))，以H_i与F_i+1简化表示。

3.根据权利要求1所述的一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法，其特征在于，对测量结果构成闭合优化环路，并构建残差方程：

其中，I为测量总次数,W为约束点总数，R_i+1→i，t_i+1→i为将第i+1次测量结果转换到第i次测量结果的物体坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，R_I→1，t_I→1为将第I次测量结果转换到第1次测量结果的物体坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵,F_i+1与H_i为第i+1次测量与第i次测量间的约束点，F_I与H₁为第I次测量与第一次测量的约束点，R，t为所有旋转矩阵和平移矩阵集合；通过对该残差方程进行优化，得到全局最优的变换参数，最后得到物体重建的360°信息；利用非线性优化算法对残差函数进行优化，当残差函数取值最小时，即可获得全局最优的变换参数。