五步相序黑白数字光栅编码方法与流程

本发明涉及在光学三维形貌测量、重建、结构光技术。本发明涉及一种黑白数字光栅编码方法，更进一步，涉及一种基于五步相序黑白数字光栅编码方法。
背景技术：
：随着科学技术和工业生产的迅猛发展，许多应用都是在一个三维环境中实现的，所以必须可靠的收集目标物体的三维形貌信息。同时，在收集物体三维信息的过程中，如何以更快的速度、更高的精度获取目标物体的三维形貌信息成为三维重建领域研究的热门问题。结构光三维重建技术通常需要对待检测目标物体投射多幅黑白数字光栅图像，相机采集相应数量的图像，根据采集图案中的特征信息确定对应关系，利用三角测量原理，计算出目标物体的深度信息。存在的问题：在结构光三维重建技术中，能否准确的从采集的图像中提取相位信息，直接关系到三维重建的精度。而其中投影到目标物体表面的黑白数字光栅图像的数量又直接决定了三维重建的速度和时效。在实际的应用中可以发现，传统的结构光三维重建技术由于需要投影多幅黑白数字光栅图像，导致采集的图像过多，进而导致需要处理与计算的图像增多，影响了结构光三维重建的快速性与时效性。进而使结构光三维重建技术应用的领域受到限制。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种五步相序黑白数字光栅编码方法。该方法能够使基于面结构光的三维重建过程中，投影更少的黑白数字光栅图像，进而减少需要处理与计算的图像。采用更少的黑白数字光栅图像来获取足够的目标物体三维形貌信息，同时保障三维测量与重建过程中的精度与速度。本发明的一种五步相序黑白数字光栅编码方法，该方法包括以下步骤：步骤1：按照一定的顺序将每个周期的函数表达式排列好，生成五幅数字光栅条纹图(w1，w2，w3，w4，w5)。将五幅数字光栅条纹图投影于置有标定板的白色平面，采集图像；步骤2：将采集到的五幅图像进行标定，计算出相机以及投影仪的内、外参数；步骤3：将五幅数字光栅条纹图分别投影至物体表面，并通过相机采集图像，获得五幅采集图像(t1，t2，t3，t4，t5)；步骤4：根据步骤3得到的五幅采集图像(t1，t2，t3，t4，t5)，以及图像的排列顺序，求解包裹相位以及对应的整数级；步骤5：根据步骤4所求得的整数级以及包裹相位可求得绝对相位值，从而重建三维形貌；进一步，其中步骤1中所述的五幅数字光栅图像中的函数表达式的选取应尽量合理，满足在只有五幅采集图像(t1，t2，t3，t4，t5)的光强值(t1，t2，t3，t4，t5)的条件下，能够通过一定的算法，判别出每个周期对应的函数表达式。例如取以下(1)至(5)式：w2＝a-bsin(φ)，(2)w3＝a+bsin(φ)，(3)(1)至(5)式满足关系式(6)以及关系式(7)w1+w2＝w1+w4(6)周期排列以前12个周期为例，得到表1:w1w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w2w4w1w3w2w4w1w3w2w3w2w4w1w3w3w4w1w3w2w3w4w1w2w4w1w2w4w2w3w2w4w1w4w2w3w4w1w3w4w5w1w2w4w1w3w2w1w4w1w3w2w3表1进一步，在步骤2中，在合理的范围内应尽可能多的调整标定板位姿，以获取更高精度的相机以及投影仪内外参数。进一步，在步骤4中，将采集到的五幅图像(t1，t2，t3，t4，t5)进行求解。应注意求解出的每个周期对应的函数表达式应与步骤1中的编码顺序进行对应。每种编码对应一个相位级数的整数部分。其中在步骤1的举例中，以第一个周期为例，函数表达式排列顺序可由以下(8)至(9)式判别：t5+t2＝t4+t3，(9)若满足(8)至(9)式，即可认为这些点位于第一个整数级，以此类推，可求出所有整数级。包裹相位可由(10)式求出：phi_1＝arctan((w4-w5)/(w4+w5-w2-w3)+2π(w4-w5))，(10)其中t1，t2，t3，t4，t5为采集五幅图像的光强值，phi_1为包裹相位，n为相位信息中的整数级，2π(w4-w5)表示当w4<w5时，w4-w5取1，w4>w5时，w4-w5取0。进一步，其中步骤5中的绝对相位值phi_2可由步骤4中所求得的phi_1和n由(11)式求得：phi_2＝2π*n+arctan((w4-w5)/(w4+w5-w2-w3)+2π(w4-w5))，(11)根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。本发明的有益效果是：本发明公开的一种五步相序黑白数字光栅编码方法，该方法只需要向目标物体投影5幅黑白数字光栅图像，就能够得到目标物体的三维形貌信息，相比于传统的面结构光三维重建技术少投影了7(12-5)幅黑白数字光栅图像，在投影数量上具有较大的优势。总的来说，本发明在保证数字光栅三维测量原本的精度和优点下，需要投影的图像变得更少。本发明通过投影按一定顺序编码好的黑白数字光栅图像，与传统面结构光三维重建技术相比，大幅减少了需要投影至目标物体上的光栅图像，有效的提高了三维重建的速度与效率，可应用于快速三维测量
技术领域：
，适合大范围的推广以及使用。附图说明为了获得本发明的上述优点和其他特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：图1是本发明的测量系统的示意图。图2是本发明的该五步相序黑白数字光栅编码方法的流程示意图。图3是本发明的五步相序黑白数字光栅编码方法所投影的光栅示意图。图4是本发明的本发明的五步相序黑白数字光栅编码方法的简要实施示意图。具体实施方式如图1至图3所示是依本发明精神提供的一种五步相序黑白数字光栅编码方法，其通过一个面结构光测量系统来实现，该测量系统包括一个投影仪1、一个工业相机2以及一个终端3，该投影仪1和工业相机2布置在目标物体4的前方，投影仪1与工业相机2都与终端3相连。投影仪1能够投出由终端3编辑好的具有相位信息的黑白数字光栅图像，工业相机2能够同步采集经过目标物体表面调制的光栅图像，并将采集图像发送至终端3进行处理，例如进行该方法的操作。结合图1所示，本发明公开一种五步相序黑白数字光栅编码方法，具体步骤如下：步骤1：由如图1所示的面结构光测量系统，该测量系统包括一个投影仪1、一个工业相机2以及一个终端3，该投影仪1和工业相机2布置在目标物体4的前方，投影仪1与工业相机2都与终端3相连。例如，在图1这个例子中，该投影仪1与工业相机2分别位于目标物体4的两侧，从而该投影仪1能够从该目标物体4的前方的一个侧部向该目标物体4投影数字光栅条纹图，该工业相机2能够从该目标物体4的前方的一个侧部拍摄被投影到该目标物体4的数字光栅条纹图。按照一定的顺序将每个周期的函数表达式排列好，生成五幅数字光栅条纹图(w1，w2，w3，w4，w5)。将五幅数字光栅条纹图投影于置有标定板的白色平面，采集图像。例如取以下(1)至(5)式：w2＝a-bsin(φ)，(2)w3＝a+bsin(φ)，(3)(1)至(5)式满足关系式(6)以及关系式(7)w1+w2＝w1+w4(6)周期排列以前12个周期为例，得到表1:w1w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w5w2w4w1w3w2w4w1w3w2w3w2w4w1w3w3w4w1w3w2w3w4w1w2w4w1w2w4w2w3w2w4w1w4w2w3w4w1w3w4w5w1w2w4w1w3w2w1w4w1w3w2w3表1步骤2：将工业相机2采集到的五幅图像发送至终端3进行标定，计算出工业相机2以及投影仪1的内、外参数；步骤3：将五幅数字光栅条纹图通过投影仪1分别投影至目标物体4表面，并通过工业相机2采集图像，获得五幅采集图像(t1，t2，t3，t4，t5)；步骤4：根据步骤3得到的五幅采集图像(t1，t2，t3，t4，t5)，以及图像的排列顺序，求解包裹相位以及对应的整数级。应注意求解出的每个周期对应的函数表达式应与步骤1中的编码顺序进行对应。每种编码对应一个相位级数的整数部分。其中在步骤1的举例中，以第一个周期为例，函数表达式排列顺序可由以下(8)至(9)式判别：t5+t2＝t4+t3，(9)若满足(8)至(9)式，即可认为这些点位于第一个整数级，以此类推，可求出所有整数级。包裹相位可由(10)式求出：phi_1＝arctan((w4-w5)/(w4+w5-w2-w3)+2π(w4-w5))，(10)其中t1，t2，t3，t4，t5为采集五幅图像的光强值，phi_1为包裹相位，n为相位信息中的整数级，2π(w4-w5)表示当w4<w5时，w4-w5取1，w4>w5时，w4-w5取0。步骤5：根据步骤4所求得的整数级以及包裹相位可求得绝对相位值，从而重建三维形貌。其中步骤5中的绝对相位值phi_2可由步骤4中所求得的phi_1和n由(11)式求得：phi_2＝2π*n+arctan((w4-w5)/(w4+w5-w2-w3)+2π(w4-w5))，(11)根据上述，得到解包裹绝对相位之后，容易进行重建三维形貌。从而实现被测物体的三维形貌高精度快速测量。总之，本发明在基于面结构光三维测量系统的基础上，利用黑白数字光栅的优势，结合相序编码方法进行快速三位形貌重建。该方法只要投影5幅黑白数字光栅图像就能够得到目标物体的三维形貌信息，相比于传统的面结构光三维重建技术少投影了7(12-5)幅黑白数字光栅图像，在投影数量上具有较大的优势。在保证数字光栅三维测量原本的精度和优点下，需要投影的图像变得更少，并能得到准确的相位信息。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。当前第1页12