[发明专利]面向正弦条纹的非线性自矫正结构光三维测量方法及系统

说明书

本发明公开了面向正弦条纹的非线性自矫正结构光三维测量方法及系统，涉及光学三维测量技术领域。本发明根据系统非线性响应，提出一种新的直流分量的数学模型，基于该直流分量模型，调整三组正弦条纹各自的调制强度以及均值强度，建立关于非线性响应方程，计算得到每个像素各自的非线性相应参数，再利用非线性响应方程的反函数矫正条纹图像的灰度，将矫正后的条纹图像计算出包裹相位和解包裹相位，最后根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型，完成待测物体的三维测量。实现无需增加投影时间以及庞大的矩阵求逆计算耗时，减少不同频率相位的非线性误差，因此本发明能同时提高包裹相位精度以及解包裹精度，实现高速、高精度的三维测量。

技术领域

本发明涉及光学三维测量技术领域，尤其是面向正弦条纹的非线性自矫正 结构光三维测量方法及系统。

背景技术

三维测量一直是测量领域的发展重点。随着数据处理能力的发展，三维数 据的普及度也越来越高。三维测量广泛应用于逆向工程，文物测量，工业检测。 基于投影与成像技术的高速发展，结构光测量方法具有高速，高精度，适用范 围广的特点，是广泛应用的非接触式三维测量方法之一。相移轮廓术是结构光 方法中最具有代表性的方法。通过相位的调制与解码，能有效建立相机与投影 仪之间的像素对应关系，从而实现高精度三维测量。相移轮廓术中应用最广泛 的方法就是正弦条纹相移轮廓术。与其他条纹相比，正弦条纹具有更好的抗随 机噪声以及抗离焦能力，鲁棒性更高。然而投影系统与成像系统存在非线性响应，这使得解码得到得相位存在相位误差。正弦条纹相移轮廓术可以通过增加 相移次数从而消除非线性相位误差提高测量精度，这一特点使得该方法在不同 场景下均能实现高精度测量。然而大量的投影数量无疑会消耗大量测量时间， 使得高速高精度的三维测量难以实现。因此，为了实现高速高精度的三维测量， 在不增加投影数量的前提下，消除相位非线性误差一直是正弦条纹相移轮廓术 的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于提出面向正弦条纹的非线性自矫正结构光三维测量方法 及系统，以解决上述问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

面向正弦条纹的非线性自矫正结构光三维测量方法，包括以下步骤：

步骤A：投影三组不同均值强度以及调制强度的正弦条纹到待测物体，拍照 获取条纹图像；

步骤B：计算不同频率的条纹图像的直流分量；

步骤C：利用不同组的条纹图像的直流分量，辨识系统非线性响应参数，得 到非线性响应函数；

步骤D：使用非线性响应函数的反函数矫正条纹图像的灰度；

步骤E：使用矫正后的条纹图像计算三组包裹相位，并使用多频外差法解包 裹得到绝对相位；

步骤F：根据三角测距重建三维点云，建成待测物体的三维模型。

进一步，所述步骤A中，投影的三组条纹图像I_h,I_m,I_l分别使用公式一、公 式二和公式三表示：

其中，I_h(x,y,n),I_m(x,y,n),I_l(x,y,n)分别是投影出的三组条纹图像，(x,y)为正弦 条纹图像的横纵坐标，是相位，A₁、A₂、A₃是不同频率条纹的均值强度，B₁、 B₂、B₃是不同频率条纹的调制强度，n是幅数的序号。

进一步，所述步骤B中，按照公式四、公式五以及公式六对拍照获取的高 频条纹图像、中频条纹图像以及低频条纹图像进行均值计算，得到直流分量；