[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

说明书

本发明提供一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法，属于结构光三维测量领域。本发明所述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。本发明所述方法摒弃了传统360°测量方法中对高精度步进电机及附加设计标志物的依赖，通过提取约束点，获取物体或系统在相邻测量间移动的变换参数，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，最终重建出物体的360°三维点云信息。

技术领域

本发明涉及结构光三维测量领域，特别是涉及一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法。

背景技术

结构光三维面形测量是通过投影仪投影编码条纹，摄像机采集受物体调制后的变形条纹来重建物体三维面形的一种测量方法，是三维测量中测量精度较高的方法之一，被广泛应用在机器人视觉、航空测绘、医学诊断、工业监控、军事工程、表面建模等领域。但受光学成像系统视场范围的限制，单次测量只能获取物体位于投影仪与摄像机视场交汇区域的三维信息。物体位于投影仪与摄像机视场盲区的三维信息无法直接获得。为了重建物体360°的三维信息，需要多次测量，且在单次测量完成后，需通过移动物体或测量系统，将物体位于投影仪与摄像机视场盲区的待测部分转换至视场交汇处进行下一次测量。待所有区域测量完成后，根据相邻测量间的变换参数完成点云拼接。现有方法多采用精密步进电机或附加设计的标志物获取相邻测量间的变换参数，且测量前需标定转台的旋转中心，增加了测量步骤与测量设备的复杂程度。同时，由于转台单次转动的误差会累积到后一次测量结果中，导致点云融合的精确度降低。

发明内容

本发明提供一种基于特征相位约束的结构光360°三维面形测量方法，旨在解决传统结构光360°三维面形测量方法中由单次测量误差累积造成的点云融合精度降低的问题，并去除测量过程对精密步进电机或附加标志物的依赖。本发明所述的测量系统由双摄像机(摄像机A与摄像机B)、单投影仪组成。多次测量完成后，首先根据特征相位约束原理，提取当前测量中摄像机A采集的图像与下一次测量中摄像机B采集的图像的二维(2D)特征点，获取特征点匹配对，建立特征约束；结合相位测量轮廓术所提供的绝对相位信息，建立相位约束；再通过利用特征相位约束提取得到的相邻两次测量间的约束点二维索引，得到两次测量间的三维(3D)约束点。利用该约束点可求取物体或系统在相邻测量间的变换参数。测量完成后，根据联合优化原理，建立闭合优化环路，减少误差累积对360°重建结果的影响。本发明所述流程如附图1所示，具体实施步骤如下：

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单投影仪组成的系统进行标定，分别获取投影仪的内参矩阵K_P，畸变矩阵O_P，摄像机的内参矩阵K_A，K_B，畸变矩阵O_A，O_B和投影仪-摄像机A之间的外参矩阵R_S，T_S，及双摄像机之间的本征矩阵E。

步骤2：采集图像

采集的图像包括变形条纹图及物体纹理图。

根据相位测量轮廓术原理编码N帧正弦条纹，利用投影仪将编码的正弦条纹投影至待测物体表面，通过摄像机采集相应的变形条纹为：

其中，(x,y)为摄像机像平面的像素索引，C(x,y)为背景光强，D(x,y)为调制信号，φ(x,y)为经过物体调制的相位信息。

保持待测物体与系统相对位姿不变，摄像机A与摄像机B同时获取该次测量状态下物体的纹理图像，若本次测量为第i次测量(i大等于1且小于测量总次数)，摄像机A与摄像机B采集得到的物体纹理图像分别为Image_A(i)与Image_B(i)。