[发明专利]一种高适应性彩色结构光三维测量方法

说明书

技术领域

本发明属于三维信息重构的技术领域，基于彩色光栅投影，结合傅里叶变换法，将条纹投影轮廓术用于物体的三维测量。整个系统涉及彩色投影光栅设计，图像分割，相位获取等部分。

背景技术

三维轮廓检测及其重构技术是计算机图像处理技术的一个分支，是计算机视觉和计算机图形图像处理相结合的一个研究方向，它在生产自动化、机器人视觉、CAD、虚拟现实和医学映像诊断等领域都有着广泛的应用前景。

由于光栅投影法具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率高、一次性瞬间投影直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息等特点，同时，由于彩色图像比黑白图像携带更丰富的信息，近年来，结构光法中基于彩色光栅投影的三维测量技术得到了较大的发展。其测量方法是：首先设计若干幅辅助光栅图像，包括彩色编码条纹和带有不同相移角度的几幅相移条纹图，这些辅助图像的设计要有利于采集图像后的彩色图像分割、解码和解相位的实现。然后将它们用投影仪依次投影到被测物体表面，形成因被测物体表面形状调制而畸变的光栅条纹，并用彩色CCD采集图像。对采集到的彩色编码条纹图进行彩色图像分割，识别各条纹的颜色和边界，从而以此为依据解码得到各条纹的位置编码，即相位周期数信息，彩色图像分割效果的好坏直接决定了解码的质量，因此设计适当的彩色图像分割算法至关重要，解码算法则对应于不同的彩色编码算法；对采集到的相移图解相位得到主值相位信息。基于相位主值和相位周期数进行相位展开，计算得出与采集到图像中每个像素唯一对应的绝对相位信息，进而得到被测物体的三维信息，实现三维重构。彩色光栅的优点是可利用条纹颜色记录更多的被测物体的相位信息，达到减少图像采集数量、提高相位法实时性的目。

在光栅条纹图中，通过给待求相位场加上已知或未知的常相位，来得到新的条纹图，即增加求解条件。这种通过对条纹图相位场进行移相来增加若干常量相位而得到多幅条纹图用以求解相位场的方法，称为相移法。固然相移法采用多幅条纹图像解出相位，在相位求解的精度方面有突出的优势，但这种方法通常需要向被测物体投影多幅条纹图像，大大限制了测量动态性能的提高。在以相位法为基础的条纹图像处理方法中，基于傅里叶变换进行解相位通常仅需要一幅图像，很多学者将此与彩色编码光栅结合用于物体三维信息的提取，无疑为实现动态测量以及实时性能的改善提供的思路。基于彩色光栅投影的三维测量技术涉及两大关键技术环节，即彩色编码光栅的设计和相位的求解。

彩色编码条纹是一组指定颜色条纹的序列，其长度由测量范围要求而定，通常以整个序列周期的投射范围能完全覆盖被测物体为宜。任何彩色条纹编码都必须满足以下条件：任意相邻两条纹颜色不同；且任意编码周期的颜色序列都不相同，即在解码时不会产生歧义而导致解码错误。在彩色编码条纹的设计中，为了使条纹颜色容易区分，通常选择颜色区分度大的纯色进行编码，对于红色R、绿色G、蓝色B三个分量，只选用0和255两个灰阶，这样三个分量可以构成八种纯色：白色(255，255，255)、红色(255，0，0)，绿色(0，255，0)、蓝色(0，0，255)、黑色(0，0，0)、青色(0，255，255)、品色(255，0，255)、黄色(255，255，0)；其中各颜色后面的括号内分别是红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三个分量的灰度值。颜色的选取需要根据不同颜色的特点、被测物体的特点、彩色分割的难易程度等方面的考虑来完成。彩色编码的方法很多，其中格雷码属于可靠性编码，这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，是一种错误最小化的编码。Gray编码的主要优点是：思路简洁明了，易于编程实现。

对编码条纹解码的过程即是获取条纹周期信息的过程。条纹颜色用于记录相位周期信息，通过正确识别条纹的颜色及边界，然后对编码条纹正确解码后，便可得到相位周期信息从而实现相位展开。彩色图像分割的过程实则为还原图像中各像素颜色的过程。彩色图像分割有很多种经典的算法，包括基于颜色相似系数的分割方法、HSI颜色空间下的迭代阈值分割方法、基于区域的自适应阈值分割方法等。