專(zhuān)利名稱(chēng)：一種應(yīng)用于明暗反差大場(chǎng)景的高精度三維重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于明暗反差大場(chǎng)景的高精度三維重建方法，更具體的說(shuō)，本發(fā)明所提供的三維重建方法，可以實(shí)現(xiàn)明暗反差大場(chǎng)景下物體的高精度三維重建。
背景技術(shù)：
三維重建方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、逆向工程、人體掃描、文物保護(hù)、服裝鞋帽等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)自由曲面的檢測(cè)具有速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)。按照成像照明方式的不同，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)可分為被動(dòng)三維測(cè)量和主動(dòng)三維測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。在主動(dòng)三維測(cè)量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展最為迅速，尤其是相位測(cè)量輪廓術(shù)(Phase Measuring Prof ilometry, PMP),也被稱(chēng)為相移測(cè)量輪廓術(shù)(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三維測(cè)量產(chǎn)品中常用的測(cè)量方法。相位測(cè)量方法是向被測(cè)物體上投射固定周期的按照三角函數(shù)(正弦或者余弦)規(guī)律變化的光亮度圖像，此光亮度圖像經(jīng)過(guò)大于3步的均勻相移，最好為4-6步均勻相移，向物體投射4-6次光亮度圖像，最終完成一個(gè)周期的相位移動(dòng)。物體上面的每個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)相移圖像的投射后，在圖像中會(huì)分別獲得幾個(gè)不同的亮度值。此亮度值經(jīng)過(guò)解相運(yùn)算，會(huì)獲得唯一的相位值。由于目前采集到的圖像的幅面較大，為了提高相位精度，需要向被測(cè)物體投射多個(gè)周期的相位圖，因此，在一副圖像中，相同相位值會(huì)出現(xiàn)多次。為了在圖像中獲得唯一的相位值，格雷碼方法是常用的輔助解相方法。目前出現(xiàn)的三維測(cè)量產(chǎn)品，普遍采用格雷碼加相移的光學(xué)投射方法，如德國(guó)GOM公司的Atos-I型結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)、德國(guó)Steinbichler公司的COMMET系列結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)、德國(guó)Breuckmann公司的optoTOP系列結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)、北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司的OKIO-II型三維掃描儀、上海數(shù)造科技有限公司的3DSS綜合型三維掃描儀、天津世紀(jì)動(dòng)力光電科學(xué)儀器有限公司的CPOS三維掃描儀等。由于格雷碼的編碼方法主要靠圖像的二值化來(lái)進(jìn)行編碼，因此對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景中的物體以及物體表面顏色變化較多的情況，一般需要噴涂顯影劑才能實(shí)現(xiàn)較好的測(cè)量效果。外差多頻方法是暨格雷碼方法之后提出的一種改進(jìn)的三維重建方法，可以避免格雷碼僅僅使用二值化來(lái)進(jìn)行閾值分割的情況。外差多頻的原理是利用三種不同頻率的相移光柵，兩兩疊加出一種更長(zhǎng)波形的光柵，再利用兩個(gè)疊加后的光柵，最終疊加出全場(chǎng)唯一的相位。該方法由于需要進(jìn)行三次疊加運(yùn)算，如果背景復(fù)雜的情況下，疊加的相位存在很大的誤差，大大影響測(cè)量效果。因此，外差多頻方法雖然比格雷碼方法具有一定的優(yōu)越性，但是仍然不能解決復(fù)雜場(chǎng)景情況下的高精度三維重建難題。為了解決明暗反差大以及無(wú)法噴涂顯影劑的三維重建難題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的三維重建方法，無(wú)需噴涂顯影劑，就可以高精度的恢復(fù)復(fù)雜環(huán)境以及顏色變化較多的物體的三維形貌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于相移光柵的三維重建方法，該方法能夠應(yīng)用于高精度三維測(cè)量中，可以彌補(bǔ)格雷碼和外差多頻方法在三維重建過(guò)程中存在的缺陷。所述的三維重建系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括用于投射光信號(hào)的光源投射裝置，光源投射裝置的分辨率為L(zhǎng)KXL。；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)；用于采集圖像的彩色攝像機(jī)，圖像分辨率為CKXC。，相機(jī)個(gè)數(shù)為1-2個(gè)；用于放置所述的光源投射裝置和所述的彩色攝像機(jī)的掃描平臺(tái)；本發(fā)明所設(shè)計(jì)的三維重建方法，具體操作步驟如下步驟I :選取合適的λ i、λ 2、λ 3三種波長(zhǎng)的正弦或者余弦函數(shù)光柵，所述的三種波長(zhǎng)的光柵的用途是，經(jīng)過(guò)所述光學(xué)投影裝置轉(zhuǎn)化為亮度信息后，可以向物體投射相移光 柵。Ai、A2、A3的數(shù)值不同，為了表述方便，本發(fā)明暫且假設(shè)A1) λ2> λ3，如果相移光柵為豎向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系如下式所示A1 彡 Lk A1 = Μλ2 λ2 = Νλ3(Μ 和 N 為整數(shù))公式(I)如果相移光柵為橫向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系如下A1 彡 Lc A1 = Μλ2 λ2 = Νλ3(Μ 和 N 為整數(shù))公式⑵步驟2:利用所述的光源投射裝置，向物體分別投射波長(zhǎng)為W、λ3的相移光柵，投射順序無(wú)需限定，即投射順序可以是入1_入2_入3、λ λ 3- λ 2> X2-X1-X3'\ 2_ \ \ \ \ \ 2或者X X I六種方式中的任何一種，相移的步數(shù)應(yīng)大于3步，最好為4_8步；步驟3 :采集每幅相移圖像，并計(jì)算圖像上每個(gè)點(diǎn)(X，y)在λ。λ2、入3三種波長(zhǎng)情況下的相位 ^(χ,γ)、θ 2(χ y) > θ 3(χ y)；步驟4:對(duì)于在λ 3波長(zhǎng)相移光柵中的每個(gè)點(diǎn)(x,y),利用其原始相位03(x,y),按如下公式計(jì)算其全局相位Q3-e(x，y)；
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于明暗反差大場(chǎng)景的高精度三維重建方法，本發(fā)明所述的三維重建方法可應(yīng)用到如下的硬件系統(tǒng)中 用于投射光信號(hào)的光源投射裝置，光源投射裝置的分辨率為L(zhǎng)KXL。； 用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)； 用于采集圖像的彩色攝像機(jī)，圖像分辨率為CkX Cc，相機(jī)個(gè)數(shù)為1-2個(gè)； 用于放置所述的光源投射裝置和所述的彩色攝像機(jī)的掃描平臺(tái)； 所述的高精度三維重建方法，其特征是，其操作步驟如下 步驟1:選取合適的λ:、入2、λ 3三種波長(zhǎng)的正弦或者余弦函數(shù)光柵，所述的三種波長(zhǎng)的光柵的用途是，經(jīng)過(guò)所述光學(xué)投影裝置轉(zhuǎn)化為亮度信息后，可以向物體投射相移光柵。ApA2J3的數(shù)值不同，為了表述方便，本發(fā)明暫且假設(shè)A1) λ2> λ3，如果相移光柵為豎向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系如下式所示 A1 ^ Le λ1 = Μλ2 入2 = Νλ3(Μ 和 N為整數(shù))公式(I) 如果相移光柵為橫向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系如下 A1 ^ Lc λ1 = Μλ2入2 = Νλ3(Μ和N為整數(shù))公式⑵ 步驟2:利用所述的光源投射裝置，向物體分別投射波長(zhǎng)為W、λ 3的相移光柵，投射順序無(wú)需限定，即投射順序可以是入「入2-入3、入「入3-入2、入2-入「入3、 χ、A3-X1-X2或者X3-X2-X1六種方式中的任何一種,相移的步數(shù)應(yīng)大于3步,最好為4_8I K少； 步驟3:采集每幅相移圖像，并計(jì)算圖像上每個(gè)點(diǎn)(x，y)在λ” λ2、λ 3三種波長(zhǎng)情況下的相位 Θ ! (x, y) > 92(x,y)、Q3(x，y)； 步驟4:對(duì)于在λ 3波長(zhǎng)相移光柵中的每個(gè)點(diǎn)(x，y)，利用其原始相位e3(x，y)，按如下公式計(jì)算其全局相位03-c(x，y)；
全文摘要
本發(fā)明屬于三維機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于明暗反差大場(chǎng)景的高精度三維重建方法。該方法通過(guò)投射λ1、λ2、λ3三種波長(zhǎng)的正弦或者余弦規(guī)律變化的光信息，每種光信息經(jīng)過(guò)至少3步相移，最好4-8步。假設(shè)λ1＞λ2＞λ3，如果相移光柵為豎向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足λ1≥LRλ1＝Mλ2λ2＝Nλ3(M和N為整數(shù))；如果相移光柵為橫向排列，則三種波長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系λ1≥Lc λ1＝Mλ2 λ2＝Nλ3(M和N為整數(shù))。利用λ1、λ2的相位信息，計(jì)算λ3的全局相位信息，進(jìn)而獲得被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的三維重建方法，優(yōu)于傳統(tǒng)的格雷碼和外差多頻方法的三維重建方法，可以有效的解決三維測(cè)量中復(fù)雜場(chǎng)景以及被測(cè)物體表面顏色不一致的測(cè)量難題，無(wú)需噴涂顯影劑，更加綠色環(huán)保。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102881043SQ201210344110
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者宋麗梅, 楊燕罡, 陳卓 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)