[发明专利]一种基于求导的叠加相移光栅的分离方法

说明书

本发明公开了一种基于求导的叠加相移光栅的分离方法，包括第一投影仪、第二投影仪和相机；所述分离方法包括：(1)设计投影相移光栅，其中，第一投影仪所投影的相移光栅的条纹方向和第二投影仪所投影的相移光栅相互垂直；(2)基于所设计的相移光栅，同时对被测物体进行投影，在被测物体上形成叠加相移光栅，并通过相机对叠加相移光栅进行采集；(3)基于求导的叠加相移光栅分离方法对四幅叠加相移光栅进行处理和分离，并求解得到相应的主相位。通过本发明分离方法，成功获得了被测物体两个视角投影单独的主相位信息，完成了光栅分离，同时，获得了被测物体的较为完整的主相位信息，基于结构光视觉的被测物体的三维测量才可以得以实现。

技术领域

本发明涉及结构光视觉三维测量，特别涉及一种基于求导分离法的双投影结构光视觉三维测量中叠加相移光栅的分离方法。

背景技术

光学三维测量技术在现代工业和学术研究中都是一个非常重要的研究领域，是国家智能制造2025发展战略计划中的一个重要组成部分，拥有广阔的市场需求和应用前景。其在制造业、航空航天领域、科研领域、文化领域、医疗领域、社会安全等领域有着广泛的应用，比如产品设计和加工、月球车探索、文物保护、人体器官和构造的三维成像、人脸识别等。但是随着工业的发展，众多的应用对光学三维测量在信息获取的速度、精度、范围等方面的要求越来越高，同时信息技术的快速发展也为这些需求提供了丰富的实现手段，其中，结构光视觉三维测量技术就是近些年快速发展的重要实现手段之一。

结构光视觉三维测量是通过将编制的光栅条纹通过投影仪等器件投影到被测物体上，光栅条纹由于被测物体表面高度发生光栅调制，由CCD等器件采集被调制的光栅条纹，再通过相位-高度之间的转换关系、图像处理等步骤最终得到被测物体表面的三维信息。此方法优点突出，比如测量速度快、测量精度高、测量范围大、非接触、可移动、获取的点云数据多等优势。

目前，在全方位结构光三维测量的相关研究中有很多技术难题尚待解决。一、由于被测物表面轮廓形状造成的对自身的遮挡问题，使得投影光线无法正常投影至被测物体被遮挡的被测表面。二、因为单相机-单投影仪三维测量结构的测量视角有限，无法获得被测物体全方位的被测信息。为了解决以上问题，市场的解决方案之一是提出多投影仪多相机的结构光三维测量系统。这个系统目前面临的挑战有两个方面，一是多个投影仪同时投影，会造成相移光栅叠加。如何快速、高效地从叠加相移光栅中提出有效的相位信息，是近些年来研究者的研究重点，相关学者陆续提出了解决方案，但是每个方案都有其各自的弊端。另一个方面是，如果多个投影仪不同时投影，按顺序依次投影，这样会使得测量时间增加。三维结构光测量未来的发展方向是更快、更精密、更全方位、更智能，为了提高测量速度和测量精度，我们提出了在结构光视觉三维测量中基于求导的叠加相移光栅分离方法。此方法可以快速、高效的对相移叠加光栅进行分离，相对于之前已经提出的解决方法，速度更快、分离效果更好。

针对相移叠加光栅分离，目前常用的解决方案如下：天津大学白景湘提出了基于时序分离的叠加相移光栅分离方法，通过设计投影光栅的组合和顺序巧妙的对叠加相移光栅进行分离，但是此办法并没有完全发挥双投影仪结构光视觉机构在测量速度上的优势，相比与单相机-单投影仪的三维测量结构，测量时间并没有减少；随着彩色高精度投影仪和电荷耦合元件相机的发展，河北工业大学张宗华等对彩色复合正弦条纹投影技术进行了广泛的研究和应用。彩色条纹的各个颜色通道可以携带更多的相位信息，从而减少图像拍摄次数，提高测量速度。但是彩色编码涉及到的彩色投影仪与彩色CCD相机的通道间颜色串扰问题，会直接影响相位的计算，降低物体三维形貌测量的精度。华中科技大学Yan等人通过对投影光栅进行德布鲁因序列编码，实现了多投影重叠部分信号的分离，但是此方法算法复杂，依赖于特定的编码信号。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种算法简单、成本低廉，快速分离叠加相移光栅的分离方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于求导的叠加相移光栅的分离方法，所述分离方法所涉及的双投影结构光视觉三维测量系统包括第一投影仪、第二投影仪和相机；所述分离方法包括以下步骤：