一种基于相位信息辅助的散斑匹配三维测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明将单幅散斑条纹和相移光栅条纹投影相结合的H维轮廓测量方法和系统 构成。系统通过向物体表面投射单幅散斑图案利用灰度区域相关算法获得初始匹配点对； 然后通过投射相移光栅条纹解得的主值相位场对获得的点对进行精确匹配。最后根据待测 物体左右摄像机获得图片的匹配点对，即可测量物体的H维轮廓，重构物体的H维形状。属 于H维信息重构的领域。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术和工业生产的快速发展，对物体测量精度的要求也越来越高。光学 H维测量技术通过对物体图像的分析，得到被测物体表面形状的H维信息。在虚拟现实、实 物仿形、工业制造与检测、质量控制、文物保护等领域都有着广阔的应用前景。
[0003] 投影散斑图案是光学H维物体轮廓测量中发展较为成熟的一种方法。该方法通过 投射散斑纹理进行双目立体匹配。而投影光栅相位法是光学H维物体轮廓测量的另一种重 要方法。该方法首先通过相移法获得相位场主值。再通过解包裹算法得到完整连续的相位 场并进行双目立体匹配。上述方法在进行立体匹配后进而均可得到物体的H维信息。
[0004] 双目立体匹配是H维测量技术中关键的一步，它的准确性直接影响着获得的待测 物体H维信息的准确性。然而，在利用散斑图案进行匹配的过程中，只能获得像素级别的 匹配数据，还需采用像素插值算法进行数据拟和处理获得亚像素数据。而近年来提出的投 影光栅相位法在处理不连续物体或者阶梯状物体的H维重构方面仍有不足之处。同时，为 了进行解包裹操作获得绝对相位值，还需要投射较多的辅助图像，因此直接影响了测量的 速度。为此，有许多方法对此加W改进，常见的方法是将相移法与多视角相结合，利用H角 法计算出每一个像素所在的周期数，提出了在未解包裹的主值相位中寻找到匹配点对的方 法。该方法虽然可W在未解包裹的情况下进行双目匹配，但是存在着计算复杂，对设备要求 较高的问题，因此在实际应用中仍然存在着较多的问题。
[0005] 技术问题：针对投影散斑和投影光栅相位法各自的特点，本发明提出了一种投 射散斑图案并利用相位信息精确匹配的物体H维测量系统。使得在只获得待测物体的主值 相位信息而未进行解包裹操作的情况下仍能进行高精度的H维测量。与传统相移法相比， 该算法减少了投射条纹的幅数，在保证测量精度的情况下节省了测量的时间。
[0006] 技术方案；本方法首先在物体表面投影随机生成的散斑图案，并找到左侧摄像机 获得散斑图像中每一像素点在右侧摄像机获得散斑图像中的初始匹配像素点。再通过投影 光栅相位法获得主值相位，对每一对匹配点进行亚像素的精确定位。在进行精确匹配的过 程中，由于主值相位的周期变化性，会出现初始匹配点对位于主值相位周期分界处附近的 情况。此时由于相位值的突变，无法直接获得精确匹配结果，而需要对于初始匹配点及附近 的相位值进行局部处理消除相位值的突变。本方法通过投射散斑图案直接获得匹配点对的 大致位置，代替了传统的投影光栅相位法中实现难度较大的解包裹算法。
[0007] 本发明的基于相位信息辅助的散斑匹配的H维测量方法的具体步骤如下： 步骤1 ;对于摄像机的成像平面，建立W像素点为单位的图像坐标系坐标系的原 点位于图像的左下角，横、纵像素轴分别为U轴和读I，调整两台摄像机的相对位置使两者 成正交平行的摆放方式；W直立墙面为参考面，利用投影仪在参考面上投射水平方向和垂 直方向的灰度条纹图，并分别利用摄像机拍摄条纹图，调整摄像机的位置，使得投射的条纹 在摄像机的成像平面上分别呈现为水平方向和垂直方向，保证两摄像机的光轴相互平行， 成像平面平行于参考面，同时对于同一条水平条纹，在左右摄像机的成像平面内的纵像素 坐标相同； 步骤2 ;对左右两台摄像机进行标定，分别获取其内外参数； 步骤3 ;利用投影散斑图案对摄像机获得的两幅图像进行初步的点对匹配，具体步骤 如下： 步骤3. 1 ;利用计算机生成一幅散斑图案，图案的像素大小等于投影仪的分辨率，设定 图案的每个像素点的灰度值随机地取为255或者0 ; 步骤3. 2 ;将得到的散斑图案投射到待测物体的表面，利用摄像 机拍摄得到待测物体的左右两幅图像，设左摄像机图像中任意一点 %其坐标为;匹配范围为右摄像机图像的相同一行及上下2行；设匹配范围中某点 坐标为通过下式可W求得%与该点的灰度区域相关系数P :
【主权项】
1. 一种基于相位信息辅助的散斑匹配的H维测量方法，其特征在于该方法的具体步 骤如下： 步骤1 ;对于摄像机的成像平面，建立W像素点为单位的图像坐标系坐标系的原 点位于图像的左下角，横、纵像素轴分别为U轴和读I，调整两台摄像机的相对位置使两者 成正交平行的摆放方式；W直立墙面为参考面，利用投影仪在参考面上投射水平方向和垂 直方向的灰度条纹图，并分别利用摄像机拍摄条纹图，调整摄像机的位置，使得投射的条纹 在摄像机的成像平面上分别呈现为水平方向和垂直方向，保证两摄像机的光轴相互平行， 成像平面平行于参考面，同时对于同一条水平条纹，在左右摄像机的成像平面内的纵像素 坐标相同； 步骤2 ;对左右两台摄像机进行标定，分别获取其内外参数； 步骤3 ;利用投影散斑图案对摄像机获得的两幅图像进行初步的点对匹配，具体步骤 如下： 步骤3. 1 ;利用计算机生成一幅散斑图案，图案的像素大小等于投影仪的分辨率，设定 图案的每个像素点的灰度值随机地取为255或者0 ; 步骤3. 2 ;将得到的散斑图案投射到待测物体的表面，利用摄像 机拍摄得到待测物体的左右两幅图像，设左摄像机图像中任意一点 %其坐标为(叫，vi);匹配范围为右摄像机图像的相同一行及上下2