一種快速高動態范圍三維測量方法技術

本發明專利技術提出一種快速高動態范圍三維測量方法，使用計算機生成四幅光柵條紋；分別在投影儀光軸和攝像機光軸上放置一塊偏振鏡，轉動任意一塊偏振鏡，將投影儀光軸和攝像機光軸之間的夾角調節為90度；使用投影儀將生成的四幅光柵條紋投射至被測物，使用攝像機同步拍攝被測物反射生成的四幅條紋圖像；對四幅條紋圖像進行分析，獲得高頻包裹相位和低頻相位；對高頻包裹相位去包裹，獲得高頻去包裹后相位，根據去包裹后相位重建被測物體三維場景。本發明專利技術可以對動態場景實現高動態范圍的三維測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光學測量
，具體涉及。
技術介紹
光學三維測量方法以非接觸、高精度、易于實施等優點已日益成為人們獲取三維 輪廓數據的一種重要手段。根據照明方法的不同，通常將光學三維測量分成主動式和被動 式的三維測量。被動式三維測量通過兩個或者多個相機從不同角度對被測物進行拍攝，從 獲取的二維圖像中恢復被測表面三維信息。該類方法優點在于測量系統簡單以及數據采集 方便，所以其在機器視覺中有著廣泛的應用。雙目視覺法是該類方法的一種代表性方法，其 根據仿生物原理構造類似于人眼的功能，從不同視角的二維圖像中確定距離。其在航空測 量領域，利用飛行器裝載大視場高分辨率相機沿飛行方向拍攝圖像序列，從而獲取地形地 貌。盡管被動式方法可有效獲取被測物表面三維信息，但是其主要有兩個缺點：運算量十分 巨大，通常需要高速處理器來實現測量；對物體表面紋理過分依賴，使得該方法不適合測量 光滑或者特征點較少的表面。 主動式三維測量是采用結構光照明的方法對被測物主動地投射光信號，然后根據 拍攝得到的調制光場中解調出被測物的三維信息。這類方法由于利用調制光主動對被測面 進行調制，所以其解決了對物體自身表面紋理依賴的問題，且避免了相關算法的使用，從而 降低了數據運算量。常用的主動式方法包括條紋投影法、飛行時間法、調制度輪廓法等。其 中條紋投影法是目前使用最為普遍的一種測量方法。該方法通過向被測物投射光柵條紋， 攝像機從另一角度拍攝經被測物調制的光柵條紋，經過條紋解碼，解調出被測表面三維輪 廓。隨著數字投影設備的不斷發展，該技術被逐漸用于動態場景三維場景測量。隨著條紋 高速地投射至被測表面以及攝像機同步采集二維光柵圖案，最終通過高速數據處理，可實 現針對運動形變物體的高速三維測量。 高速三維測量對于在線檢測、生物醫療、形變分析等領域都有著十分重要意義。但 是在實際測量過程中，研究人員仍然面臨了很多急需解決的問題。其中一個最常遇到的問 題就是如何實現高動態范圍的高速測量。因為目前待測物體表面由于反射率高，很容易形 成局部高光。特別是合金金屬工件，其表面的高光尤為明顯。表面的高光由于會導致攝像機 像素飽和，所以使得攝像機無法獲取高光處的有用光信號，最終難以恢復該區域的三維輪 廓。同時，傳統的多曝光技術盡管可以實現高動態范圍的三維測量，但由于需要多次曝光， 所以只適合用靜態場景的測量。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，可以對動態場景實現 高動態范圍的三維測量。 為了解決上述技術問題，本專利技術提供，使用計 算機生成四幅光柵條紋；分別在投影儀光軸和攝像機光軸上放置一塊偏振鏡，轉動任意一 塊偏振鏡，將投影儀光軸和攝像機光軸之間的夾角調節為90度；使用投影儀將生成的四幅 光柵條紋投射至被測物，使用攝像機同步拍攝被被測物反射生成的四幅條紋圖像；對四幅 條紋圖像進行分析，獲得高頻包裹相位和低頻相位；對高頻包裹相位去包裹，獲得高頻去包 裹后相位，根據去包裹后相位重建被測物體三維場景。 進一步，計算機生成的四幅光柵條紋廣~Ip4的光學表達式如下所示，Ip1 (xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jifxp)Ip2 (xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp) Ip3(xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp+2Ji/3) Ip4(xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp+4Ji/3) 其中，（xp，yp)為投影儀像素坐標，Ap為直流分量，Bp為調制度，Ap=Bp= 127.5， 圖像像素深度為8比特，f?為第一幅正弦光柵條紋的頻率。 進一步，攝像機同步拍攝的四幅條紋圖像匕~I%的強度分布表達式如下所示，Ici (xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i> h)Ic2 (xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i>j)Ic3(xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<})j+2 /3)Ic4(xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i>j+4Ji/3) 其中，（f，/)為攝像機像素坐標，f為背景光強，B相位調制度，巾拍攝的 第一幅條紋圖像疋中包含的高頻相位，為拍攝的第二幅至第四幅條紋圖像G~/丨中包 含的低頻相位。 進一步，對第一幅條紋圖像F1進行二維傅里葉變換，在獲得的頻譜中使用漢寧窗 對正一級頻譜進行濾波，然后進行二維逆傅里葉變換，獲得高頻包裹相位小 h。 進一步，對第二幅至第四幅條紋圖像r2、r#pIM吏用三步相移法分析，獲得低頻 相位，計算公式如下所示， 其中，Round為求取最近整數。 本專利技術與現有技術相比，其顯著優點在于，本專利技術使用偏振鏡很好地解決了現有 技術存在的高光問題，使得在單次曝光的情況下就可實現高動態范圍的三維測量。此外，根 據傳統方法，比如雙頻三步相移法，動態場景測量通常需要六幅條紋，而本專利技術方法只需要 使用四幅光柵條紋，所以本專利技術非常適合快速運動形變物體的測量。 下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。【附圖說明】 圖1為本專利技術快速高動態范圍三維測量方法流程示意圖。圖2為本專利技術實施例中使用的測量對象及其場景圖像，測量對象為圖像中的具有 局部尚光的白色水杯。 圖3為本專利技術實施例中對圖2所示測量對象拍攝的四幅條紋圖像，其中，（a)為拍 攝的第一幅條紋圖像#，（b)為拍攝的第二幅條紋圖像/〗 .，（c)為拍攝的第三幅條紋圖像 #，（d)為拍攝的第四幅條紋圖像G。 圖4為本專利技術實施例中求解的相位示意圖，其中（a)為高頻相位<K，（b)為低頻 相位 圖5為本專利技術實施例獲得的三維重建圖像對比，其中（a)為使用傳統方法重建獲 得的三維圖像，（b)為使用本專利技術方法重建獲得的三維圖像。【具體實施方式】 容易理解，依據本專利技術的技術方案，在不變更本專利技術的實質精神的情況下，本領域 的一般技術人員可以想象出本專利技術快速高動態范圍三維測量方法的多種實施方式。因此， 以下【具體實施方式】和附圖僅是對本專利技術的技術方案的示例性說明，而不應當視為本專利技術的 全部或者視為對本專利技術技術方案的限制或限定。 結合圖1，本專利技術所述快速高動態范圍三維測量方法，步驟如下： 步驟一，使用計算機生成所需的四幅光柵條紋。以豎直條紋生成為例，四幅光柵條 紋IPi~IP4，四幅光柵條紋IPi~I、按以下方式生成： Ip1 (xp,yp) =Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp)cos(2Jifxp) Ip2 (xp,yp) =Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp)cos(2Jixp)Ip3 (當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種快速高動態范圍三維測量方法，其特征在于，使用計算機生成四幅光柵條紋；分別在投影儀光軸和攝像機光軸上放置一塊偏振鏡，轉動任意一塊偏振鏡，將投影儀光軸和攝像機光軸之間的夾角調節為90度；使用投影儀將生成的四幅光柵條紋投射至被測物，使用攝像機同步拍攝被被測物反射生成的四幅條紋圖像；對四幅條紋圖像進行分析，獲得高頻包裹相位和低頻相位；對高頻包裹相位去包裹，獲得高頻去包裹后相位，根據去包裹后相位重建被測物體三維場景。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳錢，馮世杰，顧國華，左超，張玉珍，陶天陽，張良，孫佳嵩，胡巖，張佳琳，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32