[发明专利]基于最佳映射点集匹配的多目结构光三维测量方法及系统

说明书

本发明公开基于最佳映射点集匹配的多目结构光三维测量方法及系统，对左相机图像中的局部点集，在投影仪图像中找到多个映射点集，将投影仪图像中的多个映射点集换算为右相机图像中多个映射点集，完成左相机图像中的局部点集和右相机图像中多个映射点集的对应。基于点集特征信息，利用局部点集和映射点集的特征信息完成匹配，找到最佳映射点集。根据右相机图像的映射点集和投影仪图像的映射点集之间的换算关系，获得右相机图像中最佳映射点集在投影仪图像中对应的映射点集，结合投影仪图像像素坐标和绝对相位的数学关系求解映射点集的绝对相位。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。

技术领域

本发明涉及光学三维测量技术领域，尤其涉及一种基于最佳映射点集匹配的多目结构光三维测量方法及系统。

背景技术

结构光测量技术具有非接触、全场无损耗测量、高速、高精度等优点,已在工业检测、机器视觉、文物数字化、医学等领域得到大量运用。在现有的多视场结构光测量系统中，由两个相机和一个投影仪组成的多视场结构光三维测量系统，因具有投影图案数量少、绝对相位求解速度快、点云重建效率高等优点而被广泛使用。典型的双相机结构光三维测量系统在测量过程中由投影装置把条纹图案投影到被测物体表面,同时使用左右相机采集经被测物体高度调制而发生变形的条纹图案,然后对采集的条纹图像进行相位求解,利用左右相机的相位信息完成像素匹配,最后根据相位信息、匹配结果和已标定出的系统参数，利用三角原理获得被测物体的三维信息。

多视场结构光根据相位匹配求解绝对相位的方法可分为散斑匹配法、双频条纹匹配法和几何约束匹配法。散斑匹配法能获得较高的空间分辨率和测量精度，但需要投影额外的散斑图案；双频条纹匹配法是投影两种频率的条纹图案，通过双频外差法将高频条纹转化为低频条纹，结合高度约束进行相位匹配，但需要投影额外的条纹图案；几何约束匹配法是利用左右相机和投影仪的几何关系，结合相位匹配唯一确定空间中的三维点，虽然不需要投影额外的图案，解算速度快，但由于单像素点的特征信息单一、特征差异不明显等原因，该方法匹配精度低，只适用于低频条纹。对于多视场结构光求解绝对相位，目前仍然存在着需要投影额外的条纹图案、匹配精度低、解算速度慢等问题。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提高相位的匹配精度和解算速度一直是多视场结构光的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种基于最佳映射点集匹配的多目结构光三维测量方法及系统，本发明是在几何约束匹配法的基础上，根据左相机图像中的局部点集特征，在右相机图像中的多个映射点集中找到最佳映射点集，完成左右相机的点集匹配。该方法在投影图案幅数方面相比散斑匹配法、双频条纹匹配法不需要投影额外的编码图案，减少投影时间和解算时间；在条纹频率方面相比几何约束匹配法能够完成中高频条纹的相位匹配，提高匹配精度和重建精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于最佳映射点集匹配的多目结构光三维测量方法，包括如下步骤：

步骤A：根据三步相移法生成3幅正弦条纹图案；

步骤B：投影仪投影生成3幅条纹图案到待测物体表面，通过左右相机分别采集待测物体表面变形的3幅条纹图案；

步骤C：根据三步相移法分别对投影生成3幅条纹图案和采集的3幅条纹图案求解包裹相位；

步骤D：根据左相机图像的包裹相位，结合标定参数，利用极线约束和相位约束在投影仪图像的包裹相位中，找到左相机图像局部点集对应的多个映射点集；

步骤E：根据左相机图像中的局部点集和投影仪图像中的多个映射点集，结合标定参数，在右相机图像中找到左相机图像局部点集对应的多个映射点集；

步骤F：根据左相机图像中局部点集的特征，在右相机图像的多个映射点集中找到最佳映射点集，并确定最佳映射点集在投影仪图像中对应的映射点集；