[发明专利]一种基于频域优化的二值离焦编码结构光方法

说明书

本发明公开了一种基于频域优化的的二值离焦编码结构光方法，基于频域的优化框架，在频域对二值图案进行优化，让二值图案的频谱与正弦条纹的频谱误差最小，设计目标函数，优化目标是得到一个二值图案P，使得对它进行离焦投影后的图案与理想正弦条纹图案的频率谱误差的平方和最小。本发明二值离焦投影技术从本质上解决了商用投影仪的非线性问题；二值离焦投影技术由于只投影0和1两个灰度值，可以提高投影仪的投影速度，使其适用于运动物体的三维测量，在多种不同离焦量下优化使得产生的二值条纹在用于三维测量时，在不同的离焦量下的测量结果都具有鲁棒性。

技术领域

本发明涉及三维测量领域，具体地说，是一种基于频域优化的的二值离焦编码结构光方法。

背景技术

数字条纹投影结构光三维测量方法以其无接触、无损性、高精度等优势在三维测量领域得到广泛应用，其系统通常由相机装置、数字投影仪和计算机三个部分组成,如图1。首先通过计算机将多张正弦条纹结构光图案输入数字投影仪，投影仪再将输入图案向被测物体表面投影；然后相机装置采集经由物体表面调制的包含物体深度信息的变形图案，并将变形图案输入计算机进行处理；最后计算机根据这些变形条纹图案计算包裹相位值，再利用相位展开得到绝对相位值，最后由相位-高度变换关系计算出到物体表面的深度信息，完成三维测量。但商用投影仪的非线性问题使得投影到物体表面的图案不再是理想的正弦图案。

二值离焦投影方法由于投影图案中仅存在0和1两个值可避免投影仪的非线性效应0且提高投影速度，其将编码好的二值结构光图案输入投影仪并经投影仪离焦后输出类似正弦条纹的结构光图案，再将该图案投影到待测物体表面进行三维测量。常见的二值离焦编码结构光方法包括方波法、脉宽调制法以及抖动算法。但其在解决非线性问题的同时，也会引入高次谐波，降低测量精度。

现有技术中主要存在以下问题：

1、商用投影仪的非线性效应使得投影的图案不再是理想正弦图案；

2、传统的二值离焦投影方法会引入大量的高次谐波，降低测量精度；

3、传统的二值离焦投影方法在不同离焦量下的测量结果有较大差异。

发明内容

本发明正是针对现有技术提出的方法问题所作出的改进，提出了一种基于频域优化的的二值离焦编码结构光方法，为消除二值图案中的高频部分，在频域通过遗传算法对二值图案进行优化，以最小化二值离焦图案频谱与理想正弦图案频谱误差为目标，并通过优化二值块来代替优化整幅条纹图案，加快优化进程。该方法解决了商用投影仪的非线性问题；提高投影仪的投影速度，使其适用于运动物体的三维测量；减少高次谐波，使得离焦后的二值图案接近理想正弦图案，在不同的离焦量下的测量结果都具有鲁棒性。

本发明是采用以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种基于频域优化的的二值离焦编码结构光方法，基于频域的优化框架，在频域对二值图案进行优化，让二值图案的频谱与正弦条纹的频谱误差最小，目标函数可表示为：

其中，E_f为频率域幅度值误差，I为标准的正弦图案，G为二维空间滤波器， P为原始的二值图案，表示二维滤波操作。

作为进一步地改进，本发明所述的优化目标是得到一个二值图案P，使得对它进行离焦投影后的图案与理想正弦条纹图案的频率谱误差的平方和最小。

作为进一步地改进，本发明为了让算法在不同的离焦量下都具有鲁棒性，目标函数为5×5、9×9、13×13的高斯滤波器下的误差结果之和，表示为：

作为进一步地改进，本发明基于上述的目标函数，二值图案可通过遗传算法优化产生：