一种结构光场三维成像方法及其系统与流程
本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种结构光场三维成像方法及其系统。
背景技术：
基于条纹投影的光学三维成像是一种非接触式、全场测量的方法，以其高成像密度、高成像速度和高成像精度而得到广泛应用。
传统的条纹投影三维成像方法一次采集只能获取一个特定方向的三维数据。随着条纹投影三维成像方法应用范围的扩展，单视点三维成像已经难以满足针对特殊物体、特殊性能的三维成像要求。因此，亟需发展一次采集、多方向三维成像的光学成像方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构光场三维成像方法及其系统，旨在解决现有的条纹投影三维成像方法单视点成像的局限性问题，以实现一次采集、多方向结构光场三维成像。
本发明提出一种结构光场三维成像方法，所述方法包括：
获取结构光场三维成像系统的成像装置所记录的结构光场，求解所述结构光场的相位；
将求解得到的所述结构光场的相位与参考面相位进行比较以获取二者相位差，利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值；
利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像。
优选的，所述结构光场为在结构照明条件下记录的光线的光场，该光场记录了受场景深度调制的结构光信息，所述结构光信息包括调制相位信息和光线方向信息，所述结构光场的参考面为所述结构光场三维成像系统的测量空间中的一个基准平面，被测物体位于所述结构光场三维成像系统与所述基准平面之间。
优选的，所述结构光场表示为：
L(u,s)＝Ra(u,s)+Rb(u,s)cosφ，其中，Ra(u,s)和Rb(u,s)分别表示所述结构光场的背景强度和条纹调制强度，u表示光线lus的方向，s表示光线lus的位置，L表示光线的辐射强度，φ是经场景深度调制的相位。
优选的，所述利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值表示为：
其中，dus是对应于光线lus的深度值，mus和nus是结构光场的相位-深度映射系数，Δφ是场景的调制相位和参考面相位的相位差。
优选的，所述利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像的步骤包括：
在所记录的结构光场的光线方向中选取一个特定的光线方向ui；
从所有光线的深度信息中选取方向为ui的光线的深度信息，得到该选取方向的场景深度估计，并建立三维成像模型
重复上述两个步骤，得到不同方向的三维成像模型以完成构建多方向三维成像，其中，N是光场的角度分辨率。
优选的，在所述获取结构光场三维成像系统的成像装置所记录的结构光场的步骤之前，所述方法还包括：
利用计算机生成标准正弦条纹投影图案，并由所述结构光场三维成像系统的投影装置投射到待测物体表面，经所述待测物体表面调制的变形条纹由所述结构光场三维成像系统的成像装置进行记录；
其中，利用计算机生成标准正弦条纹投影图案表示为：I(X)＝A+Bcos(2πfX)，I是条纹投影图的归一化强度，A和B分别是用户设计的条纹背景强度和调制强度，f是条纹投影图的条纹空间频率。
优选的，在所述利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值的步骤之前，所述方法还包括：标定结构光场三维成像系统，确定每条记录光线的相位-深度映射系数；
其中，标定的具体步骤包括：
利用位移平台控制平面标靶移动到相对于参考面深度为di的位置，结构光场三维成像系统的成像装置记录该位置下的结构光场，并计算每条光线相对参考面的相位差值Δφus|i；
利用一系列的深度和相位差值(di,Δφus|i),i＝1,2,…,N拟合出该光线lus的相位-深度映射系数(mus,nus)，最终生成光线索引的相位-深度映射系数查找表LUTus{(mus,nus)}。
另一方面，本发明还提供一种结构光场三维成像系统，所述识别系统包括：
结构光照明模块，用于生成条纹投影图，由结构光场三维成像系统的投影装置投射到物体表面；
光场成像模块，使用光场数据形式记录在结构光照明下物体表面反射光线的信息，其中，记录的信息包括光线的方向信息和受深度调制的相位信息；
相位-深度标定模块，用于标定结构光场三维成像系统，确定每条记录光线的相位-深度映射系数；
三维成像模块，用于根据每条记录光线的相位-深度映射系数计算每条光线的深度值，以及利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像。
优选的，所述三维成像模块具体包括：
选取子模块，用于在所记录的结构光场的光线方向中选取一个特定的光线方向ui；
建模子模块，用于从所有光线的深度信息中选取方向为ui的光线的深度信息，得到该选取方向的场景深度估计，并建立三维成像模型
重复子模块，用于重复上述两个步骤，得到不同方向的三维成像模型以完成构建多方向三维成像，其中，N是光场的角度分辨率。
本发明提供的技术方案结合光场成像和结构照明获取结构光场，推导了结构光场中相位和场景深度的映射关系，提出一种基于光线的结构光场相位-深度映射标定和三维成像的方法和系统。该方法和系统能够实现一次采集、多方向三维成像，有利于进一步深入研究结构光场三维成像的理论和应用，满足多视角三维数字成像和测量的要求。
附图说明
图1为本发明一实施方式中结构光场三维成像方法流程图；
图2为本发明一实施方式中结构光场三维成像方法的平面原理图；
图3为本发明一实施方式中实验中石膏像的几个特定方向的三维成像模型；
图4为本发明一实施方式中结构光场三维成像系统10的内部结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下将对本发明所提供的一种结构光场三维成像方法进行详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式中结构光场三维成像方法流程图。
在步骤S1中，获取结构光场三维成像系统的成像装置所记录的结构光场，求解所述结构光场的相位。
在本实施方式中，所述结构光场为在结构照明条件下记录的光线的光场，该光场记录了受场景深度调制的结构光信息，所述结构光信息包括调制相位信息和光线方向信息，所述结构光场的参考面为所述结构光场三维成像系统的测量空间中的一个基准平面，被测物体位于所述结构光场三维成像系统与所述基准平面之间。
在本实施方式中，在所述获取结构光场三维成像系统的成像装置所记录的结构光场的步骤S1之前，所述结构光场三维成像方法还包括：
利用计算机生成标准正弦条纹投影图案，并由所述结构光场三维成像系统的投影装置投射到待测物体表面，经所述待测物体表面调制的变形条纹由所述结构光场三维成像系统的成像装置进行记录；
其中，利用计算机生成标准正弦条纹投影图案表示为：I(X)＝A+Bcos(2πfX)，I是条纹投影图的归一化强度，A和B分别是用户设计的条纹背景强度和调制强度，f是条纹投影图的条纹空间频率。
在本实施方式中，结构光场三维成像系统的成像装置所记录的所述结构光场表示为：
L(u,s)＝Ra(u,s)+Rb(u,s)cosφ，其中，L(u,s)表示四维光场；u表示光线lus的方向；s表示光线lus的位置；L表示光线的辐射强度；φ是经场景深度调制的相位，利用相移法即可求解；Ra(u,s)和Rb(u,s)分别表示结构光场的背景强度和条纹调制强度，它们都与光线方向有关。
在步骤S2中，将求解得到的所述结构光场的相位与参考面相位进行比较以获取二者相位差，利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值。
在本实施方式中，所述利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值表示为：
其中，dus是对应于光线lus的深度值，mus和nus是结构光场的相位-深度映射系数，Δφ是场景的调制相位和参考面相位的相位差。
图2示出了本发明提供的结构光场三维成像系统的平面原理图，其中，u-s平行线对表示双平面参数化光场，P点表示投影装置的投影中心，参考平面设置于Z＝0处。对于光线BC，无物体时记录了投影线PA在参考面上A点的反射光线；有物体时记录了投影线PD在物体上D点的反射光线。
在本实施方式中，将求解得到的结构光场相位与参考面相位进行比较，得到二者相位差表示为：
Δφ＝φobj-φref＝2πf(XE-XA)
其中，φobj和φref分别是物点和参考面上的相位，由物体和参考面上的结构光场Lobj和Lref经步骤S1计算得到，f是条纹空间频率，XE和XA是E点和A点的X坐标。
进一步的，在本实施方式中，利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值dus表示为：
其中，(XB,ZB)，(XC,ZC)和(XP,ZP)分别是B点，C点和P点的坐标，mus和nus是相位-深度映射系数。对于每条记录光线，B、C、P点的坐标都是确立的，因此每条光线对应的相位-深度映射关系可由映射系数mus和nus来确定。一旦标定出结构光场三维成像系统的相位-深度映射系数(mus,nus)，就能够进行多方向深度估计，实现结构光场多方向三维成像。
在本实施方式中，在所述利用所述结构光场的相位-深度映射关系计算每条光线的深度值的步骤S2之前，所述结构光场三维成像方法还包括：标定结构光场三维成像系统，确定每条记录光线的相位-深度映射系数；
其中，标定的具体步骤包括：
利用位移平台控制平面标靶移动到相对于参考面深度为di的位置，结构光场三维成像系统的成像装置记录该位置下的结构光场，并计算每条光线相对参考面的相位差值Δφus|i；
利用一系列的深度和相位差值(di,Δφus|i),i＝1,2,…,N拟合出该光线lus的相位-深度映射系数(mus,nus)，最终生成光线索引的相位-深度映射系数查找表LUTus{(mus,nus)}。
在步骤S3中，利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像。
在本实施方式中，所述利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像的步骤S3包括：
在所记录的结构光场的光线方向中选取一个特定的光线方向ui；
从所有光线的深度信息中选取方向为ui的光线的深度信息，得到该选取方向的场景深度估计，并建立三维成像模型
重复上述两个步骤，得到不同方向的三维成像模型以完成构建多方向三维成像，其中，N是光场的角度分辨率。
以下以实例说明上述结构光场三维成像方法的执行过程：
首先，计算生成投影条纹图案，作为系统标定与场景重建的结构照明；
之后，在结构光场三维成像系统的成像范围内设置位移平台和一块标定白板，位移平台按照一定的步长移动白板，每到一个位置投影装置投射条纹图，成像装置采集该结构光场并求解其相位；
之后，在得到一系列位置和相位的情况下，以离成像系统最远的位置为相对参考面，其余位置与之相比较，得到对应的相对深度和相位差；
之后，对每条光线的一系列深度和相位差拟合出该光线的相位-深度映射系数，生成光线索引的相位-深度映射系数查找表；
之后，投影装置投射条纹图案到物体表面，成像装置记录该结构光场并求解其相位，与相对参考面的相位比较，得到该物体相对于参考面的相位差；
之后，对于每条记录光线，从相位-深度映射系数查找表中找出相应的映射系数，计算该光线的深度值；
之后，所有相同方向的深度值组合为该方向的深度图，最后重建该方向下物体的三维模型。
图3示出石膏像的几个特定方向的三维成像模型。每一子图左上方的圆形表示微透镜，圆形中的小方块表示光线的一个特定方向。
本发明提供的一种结构光场三维成像方法，结合光场成像和结构照明获取结构光场，推导了结构光场中相位和场景深度的映射关系，提出一种基于光线的结构光场相位-深度映射标定和三维成像的方法和系统。该方法和系统能够实现一次采集、多方向三维成像，有利于进一步深入研究结构光场三维成像的理论和应用，满足多视角三维数字成像和测量的要求。
请参阅图4，所示为本发明一实施方式中结构光场三维成像系统10的结构示意图。在本实施方式中，结构光场三维成像系统10主要包括结构光照明模块M1、光场成像模块M2、相位-深度标定模块M3以及三维成像模块M4。
结构光照明模块M1，用于生成条纹投影图，由结构光场三维成像系统的投影装置投射到物体表面。
在本实施方式中，条纹投影图的具体生成方法如前述的相关步骤所述，在此不做重复描述。
光场成像模块M2，使用光场数据形式记录在结构光照明下物体表面反射光线的信息，其中，记录的信息包括光线的方向信息和受深度调制的相位信息。
在本实施方式中，信息记录的方法如前述的相关步骤所述，在此不做重复描述。
相位-深度标定模块M3，用于标定结构光场三维成像系统，确定每条记录光线的相位-深度映射系数。
在本实施方式中，结构光场三维成像系统的标定方法如前述的相关步骤所述，在此不做重复描述。
三维成像模块M4，用于根据每条记录光线的相位-深度映射系数计算每条光线的深度值，以及利用所述结构光场中每条光线所记录的方向和计算的深度值，构建多方向三维成像。
在本实施方式中，计算每条光线的深度值的方法和构建多方向三维成像的方法如前述的相关步骤所述，在此不做重复描述。
在本实施方式中，所述三维成像模块M4具体包括：
选取子模块，用于在所记录的结构光场的光线方向中选取一个特定的光线方向ui；
建模子模块，用于从所有光线的深度信息中选取方向为ui的光线的深度信息，得到该选取方向的场景深度估计，并建立三维成像模型
重复子模块，用于重复上述两个步骤，得到不同方向的三维成像模型以完成构建多方向三维成像，其中，N是光场的角度分辨率。
本发明提供的一种结构光场三维成像系统10，结合光场成像和结构照明获取结构光场，推导了结构光场中相位和场景深度的映射关系，提出一种基于光线的结构光场相位-深度映射标定和三维成像的方法和系统。该方法和系统能够实现一次采集、多方向三维成像，有利于进一步深入研究结构光场三维成像的理论和应用，满足多视角三维数字成像和测量的要求。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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