[发明专利]一种三频彩色条纹投影三维测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学检测方法，特别是一种三频彩色条纹投影三维测量方法。

背景技术

动态物体的三维测量在工业生产、国防安全、医学研究、生活娱乐等众多领域具有广阔的应用前景，例如产品质量的在线检测、医疗修复手术、人脸识别、数字媒体等。

为了实现动态物体快速精确的三维测量，通常采用多摄像机拍摄的立体视觉方法和条纹投影的结构光方法。立体视觉技术由于存在立体匹配的不确定性使测量精度较低，多个摄像机也增加的硬件成本。条纹投影方法目前主要采用灰度复合条纹和彩色条纹投影两种途径。灰度复合条纹投影法将几种载频条纹组合在灰度条纹中，傅立叶变换用以提取各载频项的包裹相位，采用不同的去包裹算法将相位展开，该方法由于不同载频之间的频谱混叠限制了其测量范围。彩色条纹投影增加了条纹信息，然而被测物体的颜色、投影仪和CCD之间的颜色耦合严重影响测量精度。采用滤光片和彩色3-CCD可以从硬件角度消除颜色耦合，但采用滤光片极大地削弱了光强，选用彩色3-CCD增加了成本。数字投影仪用于彩色三步相移条纹投影，借助旋转色轮快速切换三帧相移条纹图，避免了彩色的颜色耦合问题，但是该方法主要有两点不足：一是受旋转色轮切换速率的限制，难以测量高速运动的物体；二是相位的展开在空域进行，算法复杂、可靠性低。

文献(Zhou X，Zhao H，Zhang PF.Optical 3D shape measurement for dynamic obj ect using color fringe pattern proj ection and empirical mode decomposition.Europe Optical Metrology International Symposium，Proc of SPIE，Vol.7389，Munich，Germany，2009)提出了一种三频彩色条纹投影的三维测量方法。该方法采用三种频率的彩色正弦条纹投影到物体表面，并采用一维EMD方法进行频率分离，利用Hilbert变换提取相位信息，最后采用变精度去包裹方法得到高频条纹的展开相位。该方法作为解决动态测量的一种思路是可取的，但真正测量动态物体还是比较困难的，原因在于：

1)所述方法均采用一维信号处理技术，即把条纹看作是若干行信号的简单叠加(见该文献2.2.2节)。包括条纹投影方向、EMD分解方法、Hilbert变换均为一维方法。而待分析的变形条纹图为二维图像，一维处理方法忽略了局部像素各个方向上的关联关系，因此处理效果较差。比如在物体高度变换剧烈的区域会出现较大误差，且误差沿处理方法扩展(见该文献图7，人脸石像的边缘及五官边缘有较大的横向扩展误差)。

2)所述一维EMD颜色解耦算法(见该文献2.2.2节)只考虑了去除其他载频分量的颜色串扰，而没有考虑背景光强变化造成的频谱混叠问题，导致相位求解精度下降。同时，一维EMD分解方法由于不能利用二维图像灰度信息，使极值点的提取极易受到噪声的干扰，导致严重的误差(见该文献图5，分离出的三个条纹分量在人脸石像的边缘有明显的拉线现象)。

3)所述的Hilbert变换数一维信号处理方法，不适用于二维变形条纹，同时条纹固有的高次谐波混叠导致相位结果中有明显的波纹现象(见该文献图7(c))。

因此，zhou等在文献中提出的方法具有明显的缺陷，也没有给出动态物体的测量结果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种三频彩色条纹投影三维测量方法，该测量方法采用三频彩色条纹投影技术和二维信号处理手段，形成基于单帧拍摄的全场三维测量技术，可以快速实现动态物体的全场三维轮廓测量。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：