[发明专利]一种基于移相和多位码的彩色物体结构光三维测量方法

说明书

本发明提供一种基于移相和多位码的彩色物体结构光三维测量方法，属于结构光三维测量领域。本发明所述方法利用多元码唯一编码条纹级次，并将多元码的编码序列嵌入到附加1帧移相条纹图案中，解码时结合用于获取包裹相位的正弦条纹图案，从相位差中得到每个周期的码元，对于单行的码元从左到右排列即可得到解码序列；利用最大概率法从解码序列中获取各周期条纹级次，从而获得物体表面连续相位信息；同时通过对彩色摄像机采集得到的变形条纹图累加，并将结果归一化至0~255，得到物体表面的颜色信息；利用连续相位信息和颜色信息，重建物体的彩色三维信息。

一、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移相和多位码的彩色物体结构光三维测量方法。

二、背景技术

三维测量技术根据在测量过程中是否主动投影光照信息分为主动测量和被动测量两大类。基于条纹投影的结构光三维测量技术作为主动测量方式的一种，由于其高精度，低成本等优势被广泛应用于在计算机视觉、医学诊断、工业检测和表面建模领域，对待测物体表面结构进行精细测量。而在基于条纹的结构光三维测量中，摄像机成像平面各像素点条纹级次的正确确定是成功恢复物体表面三维形貌的前提条件。现有方法大致分为基于时间的解相算法和基于空间的解相算法。基于空间的解相算法是利用当前像素点与其邻域像素点的包裹相位差值关系判断当前点与其邻域点是否存在条纹级次跳变，从而完成解相；而基于时间的解相算法则是在编码阶段直接将条纹级次编码进附加图案中，利用增加的投影图案，解码时直接获取各像素点条纹级次。该方法无需邻域像素点对比，因此其正确率高于基于空间的解相算法；但由于需要投影额外的附加条纹，测量时在投影采集阶段花费的时间大于基于空间的解相算法。因此，现阶段基于时间的解相算法的研究主要集中在不降低解相精度的同时，减少所需投影附加条纹的数量。

现阶段基于时间的解相算法在编码条纹级次时，多采用大于等于3帧的阶梯灰度图案进行编码，而当待测物体为彩色时，物体表面的彩色信息与投影附加图案的阶梯灰度混合后，无法判定灰度是来源自编码图案还是源自物体自身颜色，造成解相错误；且投影多帧的附加图案，大大降低了测量的时效性，无法有效地应用在彩色物体的快速三维测量中。

三、发明内容

本发明提供一种基于移相和多位码的彩色物体结构光三维测量方法，单个码元编码至条纹移相中，为减少附加图案的数量，用于获取包裹相位的正弦条纹也用于判定条纹级次，因此利用多位码的编码原理，条纹级次编码可通过附加一帧移相图案编码，增加基于时间解相法的测量效率；同时由于码元被编码至条纹移相中，后期通过求取相位差来提取单周期码元，未利用灰度信息，可抑制物体彩色信息对测量带来影响；利用彩色摄像机，即RGB摄像机获取变形条纹信息后，即可重建物体的彩色三维信息。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-彩色摄像机系统

利用现有方法对投影仪-彩色摄像机系统进行标定，获取投影仪的内参矩阵K_P，畸变矩阵O_P，彩色摄像机的内参矩阵K_C，畸变矩阵O_C，和投影仪-彩色摄像机之间的外参矩阵W。并通过上述标定得到的信息计算出投影仪-彩色摄像机之间的本征矩阵S。

步骤2：编码投影图案

编码的投影图案包括用于获取包裹相位所需的N帧正弦条纹和用于确定条纹级次所需的附加1帧移相条纹。首先，编码的N帧正弦条纹为：

其中，(u,v)为投影仪像平面的二维坐标索引，T为条纹周期，A^p(u,v)和B^p(u,v)为常量，n为N帧正弦条纹的图像索引，2πn/N为相移量，N为大于等于3的整数。

其次，编码用于确定条纹级次的附加1帧移相条纹为：