基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法
【专利摘要】本发明公开了基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法，由彩色三角波条纹编码原理、离焦投影系统、消除通道间颜色串扰原理、三维测量原理四大关键部分组成。本发明的优点是：(1)与传统的条纹投影方法相比：传统方法需分别投影三帧条纹(每帧相移120°)本方法只需投影一帧彩色三角波条纹，极大地提高了三维测量速度；(2)三角波条纹经过轻微离焦投影，在参考平面上就可得到理想的正弦条纹；(3)采用了三角波条纹离焦的方法，可以滤除高次谐波并且能够减小gamma效应，从而进一步提高测量精度。该方法在动态物体的快速、实时三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。
【专利说明】
基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种三维测量方法，具体涉及基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量 方法。
【背景技术】
[0002]条纹投影轮廓术由于非接触、全场测量、测量速度快、精度高和易于信息处理等优 点，在三维测量中具有重要意义。三维测量系统如图1所示，包括投影仪1，彩色CCD相机2,工 作站3，测量支架4，参考平面5，待测物体6;投影仪1和彩色CCD相机2放在测量支架4上并分 别通过数据线连接到工作站3;工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。投影仪1将 带有特征信息的条纹适当离焦成正弦条纹后投射到参考平面5,由彩色CCD相机2采集条纹 信息，经过工作站3处理后得到参考相位。然后将待测物体6放在相同位置，经过工作站3得 到相应的变形条纹像，计算出相位，减去参考相位即得到由待测物体面形引起的相位变化， 从而根据相位与物体表面形貌的对应关系进行三维重建。DLP投影仪1光轴和彩色CCD相机2 光轴相交于〇点。投影仪1和彩色CCD相机2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平 面的距离为1 〇。被测物体6的高度计算公式为：
(3)
[0004] 其中fQ为参考平面上的正弦条纹频率，△ Φ为物体表面图像和参考平面图像对应 点的连续相位差。
[0005] 通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，近年来高速、实时、高精度的三维测 量在医学诊断、产品在线检测、人脸和指纹识别等方面都有着广泛的应用。国内外针对物体 表面形貌的快速三维测量在理论和应用上做了一系列研究，通常对动态场景的三维测量方 法有傅里叶变换轮廓术和彩色编码方法。利用基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术能实现动 态过程三维面形测量。利用彩色编码方法能实现人物表情扑捉。以上两种方法的优点是测 量时需要投射的条纹数量少，极大地提高了测量速度。传统的三维测量方法需要投影至少 三帧条纹图像，耗时长，直接影响测量速度，这种单一通道的测量技术已经无法满足现今需 要更快速度、更高精度地测量物体三维形貌这一发展趋势。本发明提出一种基于彩色三角 波条纹离焦投影三维测量方法，此方法只需投影一帧彩色三角波条纹，耗时短，从而提高测 量速度，适合快速、实时三维测量的场合。同时采用三角波条纹离焦投影方法，减小了 gamma 效应的影响，提高了测量精度。除此之外，本发明通过加入算法可以减小通道间的串扰，并 且补偿通道的强度不均衡，从而修正截断相位的误差，进一步提高了测量精度。
[0006] 在很多工业自动化检测中，需要测量获取对象的三维信息数据，因此实现对物体 表面形貌高速、高精度的三维测量方法越来越受到广大研究者的重视。由于彩色图像较灰 度图像具有更加丰富的信息和更好的识别特征，可以减少投影帧数，因此，利用彩色条纹的 颜色信息来进行快速、实时、高精度的三维测量成为一种新的方法。本发明提出的基于彩色 三角波条纹离焦投影三维测量方法在高速、高精度三维测量中将发挥重要作用。
【发明内容】
[0007] 本发明提出了一种基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法，该方法较传统的 正弦条纹投影的三维测量方法，减小了 gamma效应，提高了测量精度和速度。
[0008] 本发明提出的基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法，其特征是:彩色三角 波条纹编码原理、离焦投影系统、消除通道间颜色串扰原理、三维测量原理；
[0009] 所述彩色三角波条纹编码原理，通过将RGB三个通道中分别嵌入同频率且相位依 次为-120°、0°、120°的三角波条纹，再通过合成，得到彩色三角波条纹；
[0010]所述离焦投影系统，通过对三角波条纹进行傅里叶分析：
(4)
[0012]上式中A为幅度值，k为谐波次数，WQ为基频。可知三角波条纹中含有多项高次谐 波，通过对它进行适度离焦，可将高次谐波滤除，得到标准的正弦条纹；
[0013]所述三维测量原理，由消除串扰后的彩色三角波条纹分离出的红、绿、蓝三种颜色 的彩色正弦条纹，使用三步相移法得到截断相位值：
(2)
[0015] 再采用质量引导法进行相位解包裹，得到连续相位值，从而利用相位-高度公式 (3)得到物体表面每一点的高度信息。
[0016] 本发明的优点是：（1)与传统的正弦条纹投影方法相比：传统方法需分别投影三帧 正弦条纹(每帧相移120°);本方法只需要使用投影装置将单幅彩色三角波条纹投影到物体 表面就可以实现三维测量，能较好地满足实时性要求；（2)三角波条纹经过离焦投影，在参 考平面上得到正弦条纹，与二进制条纹投影离焦情况相比，三角波条纹离焦程度更浅，只需 在轻微离焦状态下便可得到理想的正弦条纹；（3)采用了彩色三角波条纹离焦投影方法，可 以滤除高次谐波、高频噪声以及克服投影仪的非线性Gamma效应，极大地提高三维测量精 度，该方法在高速、高精度三维测量中具有很高的实用价值。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的三维测量系统示意图。
[0018] 图2为本发明的三步相移的三角波条纹图一。
[0019]图3为本发明的三步相移的三角波条纹图二。
[0020]图4为本发明的三步相移的三角波条纹图三。
[0021]图5为本发明的红、绿、蓝三通道合成后的彩色三角波条纹强度图。
[0022]图6为本发明的彩色三角波条纹图。
[0023]图7为本发明的三角波条纹频谱图。
[0024]图8为本发明的三角波条纹离焦后得到的正弦条纹图。
[0025]在图中，1为投影仪，2、彩色(XD相机，3、工作站，4、测量支架5、参考平面，6、待测物 体。
【具体实施方式】
[0026]下面结合【附图说明】对本发明的实施作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制 本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0027]本发明是这样来工作和实施的，基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法，其 特征是：由彩色三角波条纹编码原理、离焦投影系统、消除通道间颜色串扰原理、三维测量 原理四大关键部分组成。
[0028] 一、传统的彩色正弦条纹
[0029] 传统的彩色正弦条纹是由红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三个通道的正弦条纹采 用二步相移法来获取相位值，二种彩色光中每两个之间的相位差都是120°，红、绿、蓝二种 颜色在每个像素(x，y)的光强度如下所示：
[0030] IR(x，y) = I，（x，y)+I"（x，y)cos[ Φ (x，y)-2Ji/3] (5)
[0031] IG(x，y) = I'（x，y)+I"（x，y)cos[ Φ (x，y)] (6)
[0032] IB(x，y) = I，（x，y)+I"（x，y)cos[ Φ (x，y)+2Ji/3] (7)
[0033] ^、7)、1(；&，7)、18&， 7)分别是红、绿、蓝三种颜色通道上的光强值。1'&，7)是 背景强度，I"（x，y)是调制强度，Φ(χ，γ)是相位分布。
[0034] 二、彩色三角波条纹编码原理
[0035]传统RGB彩色编码条纹采用的是正弦模式，存在投影仪的非线性Gamma效应以及高 次谐波，直接影响到测量精度。所以它通常应用于低精度要求的测量中。为此，本发明提出 基于彩色三角波条纹离焦投影方法来解决以上问题，即将RGB图像中的红、绿、蓝三个通道 的三角波条纹编码，相位依次相隔120°，如图2、图3和图4所示;再通过合成，得到彩色三角 波条纹，如图5和图6所示。
[0036]三、对彩色三角波条纹离焦投影 [0037]通过对三角波条纹进行傅里叶分析：
(8)
[0039] 傅立叶频谱表示如式(9):
[0040] X(ft) = Csinc(ft/2fo)comb(ft/fo) (9)
[00411式(9)中c是一个常数，f ο为三角波条纹的基频。
[0042]投影光学传递函数如下式（10):
[0043] H(ft)=Ji(23iftr〇)/3iftr〇 (10)
[0044] 其中上为是一阶贝塞尔函数，ro是离焦所形成的离散圆半径。
[0045]当ft = kfo,其中k取自然数时，离焦系统0TF可重新写为：
(11) 12 式（11)中b为一离焦参数，
2 光学离焦系统作为一个高斯低通滤波器用来滤除三角波条纹的高频分量(如图7 所示）。另外，随着离焦程度的加深，弥散圆半径ro将会增大，与之而来的是b的增大，这就通 过对三角波条纹适当离焦，滤除高次谐波，得到标准的正弦条纹(如图8所示）。
[0049]所以，通过对彩色三角波条纹进行适当离焦，可以得到效果良好的彩色正弦条纹。
[0050] 四、消除彩色正弦条纹通道间颜色串扰原理
[0051] 将(二）中的彩色三角波条纹通过补偿公式消除各个通道的串扰，然后校正各个通 道的强度。
[0052] 五、三维测量原理
[0053]消除串扰后的彩色三角波条纹按(三）中的方法得到了分离出来的红、绿、蓝三种 颜色的彩色正弦条纹。由三步相移法得到其截断相位值：
(2)
[0055]再采用质量引导法进行相位解包裹，得到其连续相位值，从而利用相位-高度公式 (3)得到物体的高度。
【主权项】
1.基于彩色三角波条纹离焦投影三维测量方法，其特征是：由彩色三角波条纹编码原 理、离焦投影系统、消除通道间颜色串扰原理、三维测量原理四大关键部分组成； 所述彩色三角波条纹编码原理，通过将RGB三个通道中分别嵌入同频率且相位依次为-120°、0°、120°的三角波条纹，再通过合成，得到彩色三角波条纹； 所述离焦投影系统，通过对三角波条纹进行傅里叶分析：可知三角波条纹中含有高次谐波，通过对它进行适当离焦可将高次谐波滤除，得到标 准的正弦条纹； 所述三维测量原理是由消除串扰后的彩色三角波条纹按离焦投影系统中的方法得到 了分离出的红、绿、蓝三种颜色的彩色正弦条纹，使用三步相移法得到截断相位值：⑵ 再采用质量引导法进行相位解包裹，得到连续相位值，从而利用相位-高度公式：(3) 得到物体表面每一点的高度信息。
【文档编号】G01B11/25GK106017357SQ201610632776
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月4日
【发明人】伏燕军, 王凤丽, 夏桂锁, 柴明钢
【申请人】南昌航空大学