[发明专利]一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法

权利要求书

1.一种光栅平动结构光三维测量系统，包括正弦结构光投射模组(3)、双目采集模组以及控制器，其特征在于，

所述双目采集模组包括两个IR采集相机(4)以及纹理RGB相机(2)；两个所述IR采集相机(4)分别设置在所述系统的两侧，所述纹理RGB相机(2)以及所述正弦结构光投射模组(3)均设置于两个所述IR采集相机(4)之间；

所述正弦结构光投射模组(3)包括照明光源(5)、平动光栅片(6)、微型电机(7)、位移检测器(8)以及投射镜头(1)；所述照明光源(5)用于为所述平动光栅片(6)提供照明；所述平动光栅片(6)设置在所述照明光源(5)投影方向上；所述微型电机(7)用于驱动所述平动光栅片(6)沿直线进行平移；所述位移检测器(8)用于采集所述平动光栅片(6)的位移数据；所述投射镜头(1)用于投射结构光；

所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组(3)电连接；

所述正弦结构光投射模组(3)还包括准直透镜(10)、场镜(11)以及固定光栅片(9)，所述准直透镜(10)以及所述场镜(11)依次设置在所述平动光栅片(6)与所述照明光源(5)之间；所述固定光栅片(9)设置在所述平动光栅片(6)与所述准直透镜(10)之间。

2.根据权利要求1所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述平动光栅片(6)通过两个相互平行的轨道支架设置在所述照明光源(5)投影方向上，所述两个轨道支架为双边滑槽式结构。

3.根据权利要求1所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述微型电机(7)为步进带减速箱电机GM18168-01。

4.根据权利要求1所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述位移检测器(8)采用MTE-40光栅检测器。

5.一种如权利要求1所述的光栅平动结构光三维测量系统的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述照明光源(5)发出光线，经过所述平动光栅片(6)后通过所述投射镜头(1)向目标物体发射结构光；所述纹理RGB相机(2)采集所述目标物体的纹理数据；

S2：所述控制器控制所述微型电机(7)驱动所述平动光栅片(6)在所述轨道支架上进行周期性运动，并通过所述IR采集相机(4)同步采集所述目标物体反射回的结构光图像；

S3：对所述结构光图像进行预处理以及相位解算，获取所述目标物体的相位信息；所述预处理包括边缘分析以及图像傅里叶变换；

S4：根据所述相位信息生成点云，并根据所述纹理数据拼接形成空间三维实体。

6.根据权利要求5所述的一种三维测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：所述控制器接收所述位移检测器(8)采集的所述位移数据，并根据所述位移数据实时调整所述微型电机(7)的运动速率；用于消除所述平动光栅片(6)的抖动，使所述平动光栅片(6)在所述轨道支架上匀速往复运动。

7.根据权利要求5所述的一种三维测量方法，其特征在于，所述IR采集相机(4)在所述平动光栅片(6)的一个运动周期内采集三帧所述结构光图像，且三帧所述结构光图像之间的采集间隔一致；其中，正弦结构光经过目标物体表面调制后的光强空间分布表达式为：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)×cos[φ(x,y)+Δ_n],(n＝0,1,…,N)，

(x,y)为根据所述IR采集相机(4)的内部参数获取的目标物体中的图像坐标，I_n(x,y)为所述图像坐标处的光强，a,b分别为背景分量和调制度因子，φ(x,y)为目标物体对所述平动光栅片调制的相对相位，Δ_n为所述结构光图像第n次的相移量。

8.根据权利要求7所述的一种三维测量方法，其特征在于，所述步骤S3中相位解算包括以下步骤：

(1)：所述结构光图像中包含多帧条纹信息；利用四帧条纹图像构建两两差异图像，总共可以生成三幅差异图像，如下公式所示：

其中，I_S0，I_S1，I_S3分别为三幅所述差异图像，

并根据所述差异图像建立起关于未知相移步长的方程组，所述方程组为：

(2)：求解所述方程组，获取未知的相移步长Δ₁，Δ₂；

(3)：根据下式获取所述目标物体对所述平动光栅片调制的相对相位φ(x,y)；

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)×cos[φ(x,y)+Δ_n],(n＝0,1,…,N)

并通过下式对所述相对相位进行相位展开，获取所述目标物体对应的截断相位Φ(x,y)：

Φ(x，y)＝φ(x)y)+2πk(x，y)

k为自然数；

(4)在所述纹理图像上进行人脸特征点检测，并将获取的人脸特征点与所述截断相位中的相位信息进行匹配，根据下式获取每对人脸特征点对应下的条纹级次差K(x,y)，

其中，Round为四舍五入运算，Φ_L(x,y)和Φ_R(x,y)分别为左相机和右相机针对目标面上的人脸特征点坐标L(x,y)和R(x,y)对应的截断相位；

(5)：根据下式，输出相位调整后左相机和右相机针对目标面上的对应点的截断相位Φ’_L(x,y)和Φ’_R(x,y)，

Φ'_L(x,y)＝Φ_L(x,y)

Φ'_R(x,y)＝Φ_R(x,y)+2Kπ，

其中，K为截断相位对应的条纹级次差。