[发明专利]一种基于一次投影结构光平行条纹图案的实时三维测量方法

说明书

本发明公开了一种基于一次投影结构光平行条纹图案的实时三维测量方法。通过结构光投影装置，将单幅黑白或者彩色结构光平行条纹图案投影到被测物体表面，通过单个摄像装置记录变形的黑白或者彩色结构光条纹图案，通过条纹分割技术提取出每一条变形条纹，通过条纹聚类技术对提取出的变形条纹进行从下至上或者从上至下分类，通过样条函数拟合分类后的变形条纹，根据拟合线在图像中的纵向坐标生成纵坐标矩阵，通过样条内插方法提高坐标矩阵的分辨率，使其与摄像装置图像分辨率一致，生成纵坐标图，通过纵坐标图与标定好的系统参数实时计算出被测物体的三维形状。本发明可以在暗室或者室外场景对静止，运动或者变形物体进行实时鲁棒测量。

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及通过投影单幅由平行黑白条纹或者彩色条纹组成的图案实现对物体表面三维形状的实时测量。

背景技术

本发明涉及一种基于一次投影结构光的实时三维测量方法。基于一次投影结构光的三维测量技术既能测量静止物体的三维数据，也能测量运动或变形物体的三维数据，完全不受物体运动状态的限制。目前可以对运动或者变形物体进行实时测量的技术主要包括双目/多目视觉技术，time of flight (TOF)技术与一次投影结构光测量技术。其中，双目/多目视觉技术算法复杂度高，很难达到实时的要求。此外，双目/多目视觉技术的测量精度不高，并且容易受物体纹理或者光照条件的影响。TOF技术实时性好，抗干扰能力强，但是分辨率与精度都不高。相比之下，一次投影结构光三维测量技术具有更高的分辨率与测量精度。然而现有的一次投影结构光测量技术的测量精度与抗干扰能力还有待提高。相移法（phase shifting profilometry）是一种传统的结构光三维测量技术，它的优点包括测量精度高，测量速度快以及成本低等，请参见文献Z.Z. Wang, Robust measurement of thediffuse surface by phase shift profilometry, Journal of optics, 16 (10),105407, (2014)。因此，基于相移法的三维测量技术已经成为三维测量市场的主流产品。然而它需要至少向被测物体投影三幅以上的相位图案，并且要求被测物体保持完全的静止状态。因此相移法及其相关产品都无法对运动或者变形物体进行鲁棒测量。此外，相移法用到的结构光图案是连续的相位，因此它抵抗外界光线干扰的能力非常差。如何通过单幅图像求解出相移法至少需要三幅图像才能求解的纵坐标图(y^p)，从而达到对运动或变形物体进行精确的测量，是应用本发明可以解决的问题。同时，本发明采用的条纹编码是二进制编码，比连续的相位更加容易抵抗外界光线与噪音的干扰,请参见文献Z.Z. Wang,unsupervised recognition and characterization of the reflected laser linesfor robotics gas metal arc welding, IEEE Transactions on industrialinformatics, 13(4), 1866-1876, (2017)。因此，本发明可以在暗室中也可以在室外光照场景中对静止，运动或变形物体进行实时的三维测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有的实时结构光三维测量技术测量精度偏低，抵抗外界光线干扰能力差等缺陷，提供一种基于一次投影结构光平行条纹的三维测量方法，该方法基于单幅图像计算出传统相移法需要通过三幅以上图像才能计算出的纵坐标图，既满足了三维测量的实时性，又保证了测量精度非常接近传统相移法的三维测量精度。

为了实现上述发明的目的，本发明采用下述技术方案实现：