[发明专利]三维重建量化结构光相位图像编码方法

说明书

本发明公开的一种三维重建量化结构光相位图像编码方法，靠性好，处理速度快，重建精度高，本发明通过下述技术方案实现：结构光量化相位编码规范设计模块形成用于结构光投影的量化相位编码及其规范；量化相位及正弦条纹投影模块根据上述规范，投用结构光量化条纹，经过被测物体表面形成变形条纹；相机标定及变形条纹采集模块对被测物体条纹上的相位编码及特征点进行采集，获取三维信息；量化相位及绝对相位解码模块对多组候选码字进行自我校验，恢复多步相移绝对相位，求解截断相位查询所属对应的码字级次和绝对相位；完整三维目标模型生成模块根据展开的绝对相位和高度对应关系，形成被测面型每像素点的三维坐标，最终生成完整的三维点云模型。

技术领域

本发明涉及在工业生产、逆向工程、航空测量以及虚拟现实等领域都有广泛应用的结构光三维重建技术，特别涉及一种基于校验码字的三维重建量化结构光相位图像编码方法结构光三维重建量化相位编码方法。

背景技术

结构光测量技术由于其非接触,高分辨率，高速度和全场自动化的优点而被广泛开发用于三维(3D)测量。条纹投影轮廓术(FPP)是三维测量中应用最广泛的结构光技术之一，例如逆向工程、工业检测、制造和机器人导航。FPP系统将条纹图投影到被测物体上，并记录被物体调制后的变形条纹图，然后利用特定的条纹分析方法，使用处理/分析系统从记录的图像中计算出调制相位。提取相位的准确性直接影响被测物体的三维重建结果。基于结构光投影的主动式三维传感方法，可以获取被测三维物体极高精度的三维信息，同时具备非接触、高分辨率、高速等优势，是目前精细三维重建领域研究的热点。三维重建是通过二维图像中的基元(如角点、边缘、线条、边界等基本特征)图来恢复三维空间信息。从二维图像到三维空间重建，也称为立体视觉。这主要是对二维图像中像素点的三维信息的恢复，尤其是深度信息。立体视觉是模拟人类利用双目感知空间三维场景距离信息的视觉特点，实现对景物的立体(距离深度)信息的测量，其基本原理是从两个(或多个)视点对同一景物在不同视角下成像，利用三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(即视差)，进而测量景物的三维深度信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。维重建技术的实现方法主要包括接触式和非接触式两大类。接触式法的典型代表是坐标测量机。非接触式法主要分为两类，一类是光学方法，另一类是光学以外的其它方法。光学方法又可以分为主动式和被动式两类。前者是指对被测物体投射特定的光，使之被物体调制，再经过解调得到被测物体的三维信息；后者则不需要额外的光源，在自然光照明下通过一定的技术来得到物体的三维信息。主动式的三维重建方法有飞行时间法、相位法、结构光法和数字全息法等。被动式的三维重建方法有双目立体视觉系统和多目立体视觉系统等。坐标测量机接触式法的典型代表是坐标测量机，它以精密机械为基础，综合应用了电子、计算机、光学和数控等先进技术。测量过程中，首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上的点集坐标位置的测量，然后再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状和相对位置等，它的坐标测量精度可以达到微米级。坐标测量机的数据采集主要有触发式、连续式和飞测式。前两种方式采用传统的接触式测头，测量时需要测头与物体表面的接触，这就大大限制了测量效率：基于光学非接触测头的飞测方式可以避免测量过程中测头频繁复杂的机械运动，从而可以获得较高的测量效率。坐标测量机的优点是测量精度高，可对复杂工件形状进行测量；缺点是测量速度慢，测量体积小，不能测量软质物体，对客观环境要求较高，而且影响系统的因素较多等。飞行时间法的原理是基于测量激光或其他光源脉冲光束的飞行时间进行点位测量。在测量过程中，物体脉冲经反射回到接收传感器，参考脉冲穿过光纤也被传感器接收，这样会产生时间差，就可以把两脉冲时间差转换成距离：飞行时间法典型的分辨率在Imm左右，采用由二极管激光器发出的亚微秒脉冲和高分辨率设备，可以获得亚毫米级的分辨率。相位法是采用光栅图样投影到被测物体表面，物体表面的深度信息将对条纹振幅和位相进行调制，采用一定的算法可以将携带物体深度信息的相位变化解调出来，从而得到物体的三维信息。结构光法结构光法的基本思想是利用结构光投影的几何信息来求得物体的三维信息，通过向物体投射各种结构光，如点、单线、多线、单圆、网格、颜色编码条纹等，在物体上形成图案并由摄像机摄取，而后由图像根据三角法和传感器结构参数进行计算，得到物体表面的三维坐标值。结构光三维重建方法是基于三角法原理：目标物(被测物体)、投影点、观测点在空间成三角关系。当基准光栅条纹投射到目标物表面时，由于物体表面凹凸不平，条纹发生了畸变，这种畸变是由于投影的光栅条纹受物体表面形状调制所致，因此它包含了物体表面形状的三维信息。基于条纹投影轮廓术的三维重建方法，是利用设计的正弦条纹等图样作为结构化的投影信息照射被测物体，条纹图样被物体面型起伏调制，形成变形条纹，被标定好的相机采集。通过对变形条纹相位信息的展开恢复，计算得到变形条纹的绝对相位，进而根据相位与距离的标定关系获取被测物体的轮廓信息，形成三维点云。在基于条纹投影轮廓术的结构光三维重建技术中，变形条纹相位级次的确定是关系到三维模型重建效果的关键技术。变形条纹相位级次的确定是正确计算变形条纹绝对相位的前提，变形条纹相位级次的误判主要受到投影条纹周期较小、投影条纹灰度反射的非线性以及孤立物体投影条纹断裂等因素的影响。为了解决目前面临的问题，本领域技术人员提出了量化相位编码的变形条纹级次确定方法。在该方法中，除了保留多步相移中投影的正弦等结构光条纹，还附加了量化相位编码条纹。量化相位编码条纹的码元不包括所有灰度级，而是仅对应几个精心设置的灰度级；量化相位编码条纹的码字符合特定编码规范，局部邻域的码字在整幅条纹编码中具有唯一性。因此通过对变形条纹量化相位编码码字的确定，进而可以唯一确定对应正弦条纹的相位级次。