[发明专利]基于改进多频条纹结构光的三维测量方法

摘要

本发明公开了基于改进多频条纹结构光的三维测量方法，其特征是，包括如下步骤：1)生成多频率编码条纹图；2)相机标定；3)投影仪标定；4)投影编码条纹图片并求频率为fn条纹图的绝对相位；5)三维重建测量。这种方法使用的设备简单，成本低廉，可对大型的、型面复杂、过渡剧烈的物体表面进行精确三维测量。

主权项

1.基于改进多频条纹结构光的三维测量方法，其特征是，包括如下步骤：1)生成编码条纹图片：采用计算机生成多种频率的编码条纹图，编码条纹图光强分布函数可以表示为公式(1)，其中，I(x,y)表示编码条纹图光强，A(x,y)表示图像的背景光强，B(x,y)表示图像的调制强度，f表示条纹的频率，weφ(x,y)表示条纹相位值，频率f取值为f1，f2，f3，...fn，取值之间的关系为f1＜f2＜f3...＜fn，其中f1为1，f2为k*f1，f3为k*f2，...fn为k*fn‑1，k可以取值2,3,4...，频率为f1，f2，f3，...fn‑1的编码条纹图采用三步相移，每次移动的步长为2π/3，每个频率生成图片三幅，频率为fn的编码条纹图采用八步相移，每次移动的步长为π/4，生成图片八幅，2)相机标定：采用圆形阵列标定板对相机进行标定，采用亚像素边缘检测算法提取标定板圆形标志点边缘，计算得到亚像素精度的圆形标志点圆心图像坐标，使用MATLAB相机标定函数计算相机的内参数Ac，外参数[Rctc]，其中Rc为旋转矩阵，tc为平移向量；3)投影仪标定：依照李中伟等人的论文《结构光测量技术中的投影仪标定算法》中的方法进行标定，具体为：(1)水平、竖直方向投影编码条纹图：投影仪采用水平、垂直两种方式投影步骤1)生成的编码条纹图在圆形阵列标定板上，使用相机采集，另拍摄一幅未投影编码条纹图的圆形阵列标定板图像；(2)提取圆形标志点圆心图像坐标：根据步骤2)中方法，提取未投影条纹图的圆形阵列标定板图像的圆形标志点圆心图像坐标；(3)求编码条纹图绝对相位值：使用步骤(1)中采集的变形编码条纹图，按特定方式进行相位展开，计算频率为fn的编码条纹图的绝对相位Φn(x,y)，分别得到水平、竖直方式投影的编码条纹图的绝对相位值Φnv(x,y)和Φnh(x,y)；(4)计算圆形标志点圆心的DMD图像坐标：计算每个圆形标志点圆心图像坐标对应的在X轴和Y轴方向的绝对相位值，然后根据公式(2)、公式(3)计算对应的投影仪DMD图像坐标，得到每个圆形标志点圆心图像坐标对应的DMD图像坐标：其中，Φv(u,v)和Φh(u,v)分别代表标定板圆形标志点圆心点在水平方向和竖直方向的绝对相位值Φn(x,y)，Nv和Nh在实际应用时相同，都代表编码条纹图的条纹频率，W和H分别代表DMD图像的水平和竖直方向像素个数；(5)获取标定板在投影仪投影仪范围内不同位置结果：重复步骤(1)‑(4)，得到至少12个圆形阵列标定板在投影仪投影范围内不同位置、姿态的结果，依照上述论文方式进行投影仪标定可以获取投影仪内参数Ap，外参数[Rp,tp]，其中Rp为旋转矩阵，tp为平移向量；4)投影编码条纹图片并求频率为fn条纹图的绝对相位：分别投影频率为f1，f2，f3，...fn的编码条纹图到待测物体上，采用与步骤3)中相同的特定方式求频率为fn的八步相移编码条纹图的绝对相位Φn(x,y)；5)三维重建测量：由前面步骤(2)、步骤(3)已经得到相机和投影仪的内外参数，结合频率为fn的八步相移条纹图的绝对相位确定每一像素点的相位值，进行三维重建测量，重建过程如下：相机成像过程中，空间坐标到相机像素坐标的可以用公式(4)表示为：其中和分别代表像素齐次坐标的[x,y,1]和空间三维齐次坐标[X^w,Y^w,Z^w,1]，A^c是相机内参，[R^ct^c]是相机外参，M是一个三行四列矩阵，s是尺度因子，投影仪作为逆向相机进行分析，将相机的M矩阵表示为M^c，投影仪的M矩阵表示为M^p，M^c和M^p表示为公式(5)和公式(6)：将公式(5)和公式(6)代入公式(4)，再化简得到公式(7)和公式(8)：其中(xc,yc)和(xp,yp)分别代表相机的像素坐标和投影仪DMD像素坐标，选择xc,yc,yp三个方程求解Xw、Yw、Zw，可表示为公式(9)：至此可得物体表面精确的三维坐标。