結(jié)合幾何標(biāo)定的相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)非線性校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)合幾何標(biāo)定的相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)非線性校正方法。用相位測量輪廓術(shù)對標(biāo)靶進(jìn)行掃描，得到準(zhǔn)確相位、平均亮度和亮度調(diào)制，分別利用準(zhǔn)確相位和平均亮度對投影裝置和攝像裝置進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)準(zhǔn)確相位和拍攝的結(jié)構(gòu)光圖像獲取投影裝置的非線性響應(yīng)，建立灰度查找表，在投射結(jié)構(gòu)光圖案進(jìn)行三維掃描前，利用該查找表對圖案的灰度值進(jìn)行預(yù)補償，從而達(dá)到對測量系統(tǒng)進(jìn)行非線性校正的目的。本發(fā)明可用于相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)的幾何標(biāo)定和非線性校正。本發(fā)明把測量系統(tǒng)的幾何標(biāo)定與非線性校正有機(jī)結(jié)合起來，具有操作簡便，校正精度和執(zhí)行效率高的優(yōu)點。
【專利說明】結(jié)合幾何標(biāo)定的相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)非線性校正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)三維傳感技術(shù)，特別是涉及結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的非線性校正方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 相位測量輪廓術(shù)（phasemeasuringprofilometry，簡稱PMP)是一種應(yīng)用廣泛的 非接觸式光學(xué)三維測量技術(shù)，它具有精度高和可靠性高的優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，當(dāng)投影圖 案較少時，攝像頭-投影機(jī)系統(tǒng)的非線性將造成嚴(yán)重的相位誤差，而另一方面，三維掃描的 實時性要求投影圖案的數(shù)目盡可能少。ZhongweiLi等在論文"LiZ,ShiY,WangC, etal.Accuratecalibrationmethodforastructuredlightsystem[J].Optical Engineering, 2008, 47(5): 053604-053604-9"中介紹了相位測量輪廓術(shù)幾何標(biāo)定和非 線性校正的方法。其中非線性校正方法首先向均勻平面投射4步相移的正弦結(jié)構(gòu)光圖案， 得到受非線性影響的畸變相位，計算相位誤差，然后把畸變相位和相位誤差均量化為256 級，建立從畸變相位到相位誤差的查找表，在實際測量中，利用該查找表對畸變相位進(jìn)行 事后補償，達(dá)到非線性校正的目的。上述方法存在以下缺點：首先，該方法沒有把系統(tǒng)的 幾何標(biāo)定和非線性校正有機(jī)結(jié)合起來，需要另外在均勻平面上投射結(jié)構(gòu)光圖案以獲得準(zhǔn)確 相位和畸變相位；其次，非線性校正的精度受查找表量化級數(shù)影響；第三，由于相位誤差與 圖案數(shù)目相關(guān)，所以該方法根據(jù)4步相移圖案建立的查找表僅能用于4步相移的PMP，應(yīng) 用范圍受到限制；第四，該非線性校正方法是對畸變相位進(jìn)行補償，畸變相位中隨機(jī)噪聲 較大，校正精度容易受隨機(jī)噪聲的影響。ChaoZuo等在論文"ZuoC，ChenQ，GuG，et al.High-speedthree-dimensionalprofilometryformultipleobjectswithcomplex shapes[J] ?Opticsexpress, 2012，20 (17) : 19493-19510" 中提出了通過投射和捕捉一 系列純色灰度圖案獲取投影機(jī)的亮度非線性響應(yīng)，根據(jù)該非線性響應(yīng)建立灰度查找表，利 用該查找表對投影圖案進(jìn)行預(yù)補償，達(dá)到非線性校正的目的。該方法存在以下不足：首先， 該方法不能與系統(tǒng)幾何標(biāo)定過程有機(jī)結(jié)合，需要投射大量純色灰度圖案，所以效率不高；其 次，因為純色灰度圖案與PMP圖案具有不同的光場，所以該方法建立的灰度查找表并不能 精確反映投影PMP圖案時投影機(jī)的非線性響應(yīng)。如何把PMP系統(tǒng)的幾何標(biāo)定和非線性校正 有機(jī)結(jié)合起來，僅利用幾何標(biāo)定過程中拍攝的結(jié)構(gòu)光圖像來獲取投影設(shè)備的非線性響應(yīng)， 精確高效地完成的非線性校正，應(yīng)用本發(fā)明提及的方案就可以解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對目前結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)非線性校正方案不能與幾何標(biāo)定有機(jī)結(jié)合、 執(zhí)行效率低、校正精度低的缺點，提出一種與幾何標(biāo)定相結(jié)合的非線性校正方法，該方法操 作簡便，能達(dá)到較高的校正精度和執(zhí)行效率。
[0004] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的： 使用投影裝置向三維標(biāo)靶依次投射基頻和高頻的正弦結(jié)構(gòu)光圖案，并用攝像裝置進(jìn)行 同步拍攝，根據(jù)拍攝圖像分別計算出低頻相位和高頻截斷相位，采用時間相位展開得到準(zhǔn) 確的絕對相位，同時計算出結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量和亮度調(diào)制；把準(zhǔn)確相位用于投影裝置 的幾何標(biāo)定，即利用相位計算出標(biāo)靶特征點在投影裝置坐標(biāo)系中的對應(yīng)點坐標(biāo)，利用該對 應(yīng)關(guān)系計算出世界坐標(biāo)系到投影裝置坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；把結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量用于攝 像裝置的幾何標(biāo)定，即通過對結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量進(jìn)行特征點檢測，計算出標(biāo)靶特征點 在攝像裝置坐標(biāo)系中的對應(yīng)點坐標(biāo)，利用該對應(yīng)關(guān)系計算出世界坐標(biāo)系到攝像裝置坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換矩陣；對拍攝圖像進(jìn)行規(guī)范化處理，即把拍攝的結(jié)構(gòu)光圖像減去其直流分量，再點除 亮度調(diào)制后，找出圖像的最小和最大灰度值，采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法把圖像灰度值規(guī)范 到[0, 1]區(qū)間，最后把灰度值等比例拉伸到與投影圖案灰度值相同的范圍；通過對結(jié)構(gòu)光 圖像的亮度調(diào)制進(jìn)行閾值分割確定拍攝圖像中具有高信噪比的有效區(qū)域；根據(jù)準(zhǔn)確相位計 算出有效區(qū)域內(nèi)每個像素點在投影圖案中對應(yīng)點的灰度值，建立從規(guī)范化結(jié)構(gòu)光圖像到投 影圖案的灰度值查找表，即把規(guī)范化結(jié)構(gòu)光圖像的灰度值作為查找表索引，對每一個索引， 找到結(jié)構(gòu)光圖像所有具有該索引灰度值的像素點，取這些像素點在投影圖案中對應(yīng)點的平 均灰度值作為查找表輸出；在投射結(jié)構(gòu)光圖案進(jìn)行三維掃描前，利用該查找表對圖案的灰 度值進(jìn)行預(yù)補償，從而達(dá)到對測量系統(tǒng)進(jìn)行非線性校正的目的。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點： 因為本發(fā)明的非線性校正過程與系統(tǒng)幾何標(biāo)定有機(jī)結(jié)合起來，除了幾何標(biāo)定所用的PMP圖案，不需要投射額外的編碼圖案，簡化了系統(tǒng)非線性校正的過程，提高了校正的效率； 由于本發(fā)明方法依據(jù)拍攝的PMP圖像建立灰度查找表，所以該查找表準(zhǔn)確反映了實際PMP 掃描時的光場條件，提高了校正精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1為本發(fā)明相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)非線性校正方法的工作流程圖。

【具體實施方式】
[0007] 下面結(jié)合附圖、工作原理對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0008] 采用的裝置有1臺CASIO XJ-M140投影機(jī)，投影機(jī)緩存幀大小為 S〇C)x600像素，灰度量化等級為8bit，投影機(jī)最大輸出頻率為150幀/s ;1個Prosilica GC650工業(yè)攝像頭，分辨率為640x480像素，灰度量化等級為8bit,攝像頭最大捕捉頻率為 62幀/s;-個用于攝像頭和投影機(jī)幾何標(biāo)定的立體標(biāo)靶。1臺具有Core i3 3530 CPU, 4GB 內(nèi)存的計算機(jī)，由計算機(jī)對結(jié)構(gòu)光投影和拍攝過程進(jìn)行控制。附圖1為本實施例非線性校 正方法流程圖。本實例具體實施步驟如下： (1)用基頻和高頻的正弦結(jié)構(gòu)光圖案對三維標(biāo)靶進(jìn)行掃描，根據(jù)PMP算法獲得準(zhǔn)確相 位、結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量和亮度調(diào)制。
[0009] PMP原理在論文"Liu K, Wang Y, Lau D L, et al. Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement [J]. Opt. Express, 2010, 18(5): 5229-5244"中有詳細(xì)介紹，現(xiàn)簡述如下： 用投影機(jī)向三維標(biāo)靶投射正弦結(jié)構(gòu)光圖案，投射的圖案表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種結(jié)合幾何標(biāo)定的相位測量輪廓術(shù)系統(tǒng)非線性校正方法，其特征在于使用投影裝 置向三維標(biāo)靶依次投射基頻和高頻的正弦結(jié)構(gòu)光圖案，并用攝像裝置進(jìn)行同步拍攝，根據(jù) 拍攝圖像分別計算出低頻相位和高頻截斷相位，采用時間相位展開得到準(zhǔn)確的絕對相位， 同時計算出結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量和亮度調(diào)制，把準(zhǔn)確相位用于投影裝置的幾何標(biāo)定，把 結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量用于攝像裝置的幾何標(biāo)定，把結(jié)構(gòu)光圖像的灰度值規(guī)范化到與投影 圖案灰度值相同的范圍，在拍攝圖像中確定具有高信噪比的有效區(qū)域，根據(jù)準(zhǔn)確相位計算 出有效區(qū)域內(nèi)每個像素點在投影圖案中對應(yīng)點的灰度值，建立從規(guī)范化結(jié)構(gòu)光圖像到投影 圖案的灰度值查找表，在投射結(jié)構(gòu)光圖案進(jìn)行三維掃描前，利用該查找表對圖案的灰度值 進(jìn)行預(yù)補償，從而達(dá)到對測量系統(tǒng)進(jìn)行非線性校正的目的。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的把準(zhǔn)確相位用于投影裝置的幾何標(biāo) 定，是指利用相位計算出標(biāo)祀特征點在投影裝置坐標(biāo)系中的對應(yīng)點坐標(biāo)，利用該對應(yīng)關(guān)系 計算出世界坐標(biāo)系到投影裝置坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的把結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量用于攝像 裝置的幾何標(biāo)定，是指通過對結(jié)構(gòu)光圖像的直流分量進(jìn)行特征點檢測，計算出標(biāo)靶特征點 在攝像裝置坐標(biāo)系中的對應(yīng)點坐標(biāo)，利用該對應(yīng)關(guān)系計算出世界坐標(biāo)系到攝像裝置坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換矩陣。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的把結(jié)構(gòu)光圖像的灰度值規(guī)范化到與 投影圖案灰度值相同的范圍，是指把拍攝的結(jié)構(gòu)光圖像減去其直流分量，再點除亮度調(diào)制 后，找出圖像的最小和最大灰度值，采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法把圖像灰度值規(guī)范到[0, 1]區(qū) 間，最后把灰度值等比例拉伸到與投影圖案灰度值相同的范圍。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的在拍攝圖像中確定具有高信噪比的 有效區(qū)域，是通過對正弦結(jié)構(gòu)光圖像的亮度調(diào)制進(jìn)行閾值分割來確定有效區(qū)域。
6. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的建立從規(guī)范化結(jié)構(gòu)光圖像到投影圖 案的灰度值查找表，是指把規(guī)范化結(jié)構(gòu)光圖像的灰度值作為查找表索引，對每一個索引，找 到結(jié)構(gòu)光圖像所有具有該索引灰度值的像素點，取這些像素點在投影圖案中對應(yīng)點的平均 灰度值作為查找表輸出。
【文檔編號】G01B11/25GK104236482SQ201410459772
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】劉凱, 龍云飛, 鄭曉軍, 吳煒, 楊曉敏 申請人:四川大學(xué)