[发明专利]基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法

说明书

本发明公开了基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，由分段量化相位编码原理、三维测量原理两大关键部分组成。本发明的优点是：(1)与传统的正弦条纹图加相位编码条纹图三维测量方法相比：传统方法单调有限地量化编码相位以产生唯一的码字，仅使用1位码字确定当前周期条纹级次；本方法通过特定的编码序列来调制量化编码相位，特定的编码规则使得解码的准确性得以大大提高；(2)该方法将调制后的量化编码相位嵌入到3幅编码条纹图中，并使用连续的3位码字确定当前周期条纹级次，极大地提高了条纹级次的准确性和三维测量精度；(3)根据实际测量需要,该方法可以产生较多的码字，测量精度高，鲁棒性好，在复杂物体较大物体、带有单一颜色物体的三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。

技术领域

本发明涉及一种三维测量方法，尤其涉及分段量化相位编码的结构光投影三维测量方法。

背景技术

结构光投影轮廓术由于非接触、高精度、全场无损耗测量、测量速度快、灵敏度高和自动化程度高等优点，在三维测量中有重要意义。三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、黑白CCD相机2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；DLP投影仪1和黑白CCD相机2放在测量支架4上；DLP投影仪1、黑白CCD相机2分别通过数据线连接工作站3；待测物体6放在参考平面5上；工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体6表面，由黑白CCD相机2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪1光轴和黑白CCD相机2光轴相交于O点。DLP投影仪1和黑白 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l₀。被测物体6的高度计算公式为：

其中f₀为参考平面上的正弦条纹频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。

随着科技的发展，人们对光学的方式测量物体的三维数据要求不断提高，重建精度的要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，传统的基于相移的方法会出现2π跳变点，必须用解包裹算法进行解包裹得到绝对相位，之后才能进行三维重建。然而，对于有复杂外形或纹理的物体，如何快速、实时实现绝对相位的恢复依然是个巨大的挑战。

传统的相位编码方法需要两组条纹，一组是用于得到包裹相位的正弦条纹，另一组是用于得到条纹级次的相位编码条纹。当对N个周期的包裹相位进行解包裹时，需要嵌入N个码字到编码相位中。编码相位均匀分布在[-π,π]，被分成N个级别依次递增顺序排列，每个相位确定一个码字。然而，如果我们把编码相位设置成更多的级别用于产生更多的码字，因为系统的非线性影响，相邻编码相位的差异太小反而不能保证码字的正确识别。相反，如果减少码字的数量，意味着增大正弦条纹周期，这会产生更大的相位误差，导致测量精度降低。为了解决这个问题，有学者提出可以利用两组甚至多组相位编码条纹，产生更多的码字，提高测量精度。但是这却需要花费更多的时间，从而无法实现快速测量。因此，尽可能的增加码字，同时不增加投影条纹的帧数，成为快速、实时和高精度的三维测量的突破口。

本发明提出一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，此方法只需投射4幅正弦条纹图和3幅分段量化相位编码条纹图，可以产生比传统相位编码方法更多的码字，耗时短，从而提高测量精度，适合快速、实时三维测量的场合。除此之外，传统相位编码方法,仅使用1位码字确定条纹级次。而本发明用一种结合当前周期及其相邻周期的量化相位编码方法来确定条纹级次，提高识别准确性。

本发明所述的一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法正是在这一背景下提出的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于分段量化相位编码的结构光三维测量方法，此方法较传统的正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，在测量精度上有明显提高，适合复杂物体的三维测量场合。