專利名稱：一種基于移相法的數字投影三維輪廓重構方法
技術領域：
本發(fā)明屬于三維傳感與計量領域，特別涉及三維物體表面形貌的計算機重構技術。
三維物體表面輪廓的計算機重構技術是目前國內外三維傳感與計量研究的熱點之一，它被廣泛地應用于航空航天、機械制造、在線檢測與質量控制、醫(yī)療診斷、計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM)、機器人的視覺系統(tǒng)等領域。移相法是所有的三維形貌重構方法中最成熟、最可靠的一種方法，它具有計算量較少、可以用較粗光柵達到很高靈敏度和精度以及抗靜態(tài)噪聲等優(yōu)點，是條件允許的情況下的首選方案。
移相法的工作原理描述如下

圖1a和圖1b所示的是N步移相法。它將投影到物體表面的正弦光柵條紋移動N次，利用離散相移方法獲取N幅(N＞3)被調制的圖像，根據N-PHASE算法計算出位相分布，最后利用幾何關系求得物體表面的高度分布。
如圖1a所示，正弦光場13以入射角θi入射到參考平面11上，CCD圖像傳感器12在θv方向上接收被參考平面11調制后的光場，其中z為接收到的光場周期。假設投射正弦光場的周期為x，并且平面移動了Δh，如圖1b所示，這時z就會有一個變化量ΔzΔz=Δh[tan(θi)+tan(θv)]cos(θv)(1)這會在調制光場中引起一個相位變化ΔφΔφ=2πΔzz=2π•Δh[tan(θi)+tan(θv)]cos(θi)x---(2)]]>由上式可以看出，參考平面上某處的高度變化Δh，可以由調制光場的相移Δφ求得。當CCD圖像傳感器垂直于參考平面時，θv為零，于是高度變化為Δh=x•Δφ2πsin(θi)---(3)]]>只要我們獲取到Δφ，就可以重構出物體的三維輪廓。
當一個由正弦光柵調節(jié)出來的光強按正弦分布的二維投影圖案投射到漫反射物體表面上時，由成像系統(tǒng)探測到的被調制的圖像可以描述為Ii(x,y)=a(x,y)[(l+m(x,y)·cos(φ(x,y)+φi)](4)φi=i•2πN,(i=1,2,···,N)---(5)]]>其中，a(x,y)代表背景光強度，m(x,y)代表條紋對比度，相位函數φ(x,y)代表了條紋圖案的特征，因而包含了物體表面輪廓的信息，φi為初始相位角，N為移相次數。通過調節(jié)光柵，可以產生不同初始相位的正弦投影圖案。移動光柵N次(N≥3)，每次移動P/N(P是正弦光柵的周期)的距離，則產生相位變化是 2π/N的N幅投影圖案。用CCD圖像傳感器記錄下每一幅圖案調制后的圖像，根據N-PHASE算法有tan(φ(x,y))=Σn=1NIn(x,y)•sin(2πn/N)Σn=1NIn(x,y)•cos(2πn/N)---(6)]]>于是Δφ可求。
傳統(tǒng)的移相法測量系統(tǒng)利用正弦光柵產生投影光場照到被測物體上，通過步進電機帶動光柵移動N次(N≥3)，每次移動P/N(P是正弦光柵的周期)的距離，來產生N幅不同初始相位的正弦投影圖案，然后用攝像機依次記錄下每一幅投影圖案被物體表面調制形成的變形圖像；計算機通過圖像采集卡采集視頻圖像，并把圖像數據存儲起來；用N步移相法算法(N-PHASE算法)處理這些圖像數據，得到物體上各點的相位信息；根據物體上各點的相位信息以及投影儀、攝象機、被測物體之間的幾何關系重構出物體的三維輪廓。由于機械加工和步進電機的失步等各種原因，期望的光柵移動距離常常是不能準確得到的，這給測量結果帶來了很大誤差。傳統(tǒng)的相移裝置如圖2所示，大都采用精密的微位移傳感器來實時的監(jiān)控光柵移動的距離，將實際移動的距離反饋給計算機，然后再根據偏差通過伺服放大器驅動步進電機帶動工作臺做相應的補償。這種方法雖然可以精確的控制相移，但市場上工作穩(wěn)定的微位移傳感器價格昂貴，而且體積較大，使這套反饋式控制系統(tǒng)的設計和安裝十分不便。
本發(fā)明的目的在于為克服傳統(tǒng)的移相法測量系統(tǒng)相移裝置成本高，設計、控制復雜的不足之處，提出了一種數字投影的方法，利用計算機從軟件上實現投影光場和相移，大大簡化了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)中的投影、相移部分，取得了較好的結果。
本發(fā)明提出的數字投影三維輪廓重構方法，其特征在于預先編制投影圖案生成程序，用來生成三幅以上有固定相位差的正弦光柵投影圖案；運行所述程序，用計算機控制數字投影儀將投影圖案按一定時間間隔依次投射到被測物體表面上；攝像機依次記錄下每一幅投影圖案被物體表面調制形成的變形圖像；計算機通過圖像采集卡采集視頻圖像，并把圖像數據存儲起來；用N步移相法算法處理這些圖像數據，得到物體上各點的相位信息；根據物體上各點的相位信息以及投影儀、攝象機、被測物體之間的幾何關系重構出物體的三維輪廓。
上述投影圖案的生成可以借助各種編程語言實現。由于生成的投影圖案上從左到右光強是按正弦規(guī)律周期變化的，所以可以用計算機編程控制投影儀，從左到右依次按正弦灰度變化畫一系列直線來實現正弦投影光場圖案。
本發(fā)明所述的投影圖像的采集、處理等步驟的處理均可采用傳統(tǒng)的處理方法。
攝像機采集圖像對于不同的圖像采集卡，其實現方式也可能不同。例如，如果所用的圖像采集卡是可編程的，那么可以編程讓其在每幅圖案投射期間采集幾幅圖像，選用效果最好的一幅作為這幅投影圖案對應的調制圖像進入下步的圖像處理。如果圖像采集卡是不能編程的，可以采用人為控制計算機的方法進行圖像采集。
本發(fā)明通過采用數字投影的方法，有效的克服了傳統(tǒng)的移相法測量系統(tǒng)相移裝置成本較高，設計、控制復雜的不足，獲得了良好的結果。
附圖簡要說明圖1為移相法原理示意圖。
圖2為傳統(tǒng)相移裝置的光柵移動控制圖。
圖3為本發(fā)明實施例測量裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例測量裝置幾何關系示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例的投影圖案自動生成程序流程圖。
圖6為本發(fā)明實施例的圖像處理流程圖。
本發(fā)明提出的一種計算機控制投影儀來實現投影光場和相移的三維輪廓重構方法的實施例結合附圖詳細描述如下本發(fā)明以4幅投影圖案為實施例，本實施例的測量系統(tǒng)如圖3所示，投影儀32采用EPSON7100型LCD投影儀，分辨率1024×768像素、照度650流明；圖像傳感器35是敏通TMC-56型彩色CCD攝象機，640×480像素、256級灰度(B/W輸出)；計算機31性能為奔騰233MHz，帶有可編程的視頻輸入卡，33、34、36分別是投影圖案、被測物體以及采集到的視頻圖像。
上述測量系統(tǒng)采用的投影和成像系統(tǒng)的幾何關系如圖4所示，P2和I2分別表示投影系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的出瞳和入瞳，O是投影系統(tǒng)和成像系統(tǒng)光軸的交點，參考平面與成像系統(tǒng)的光軸垂直。被測物體應盡量安置在關于O點對稱的位置上，這樣可以使投影、成像的視場分布均勻。這種位置情況下，計算公式(3)中sin(θi)=d/d2+l2]]>，剩下的就是用移相法測出Δφ。
本實施例的數字投影三維輪廓重構方法的具體實現步驟包括首先，編制投影圖案生成程序，其步驟如圖5所示，首先定義變量，賦初值；然后定義繪圖區(qū)域，完成初始化；再采用Visual Basic語言通過三重循環(huán)根據各幅圖像的初始相位按正弦灰度規(guī)律畫線。先定義控制投影圖案數目、每幅投影圖案投影周期數目、每個投影周期內畫線數目以及它們各自的控制閾值變量分別為n、i、j、c、b、a，給n、i、j賦零。定義一個延時變量，本實施例中賦值為5秒。定義全屏的0.7倍寬度，全屏高度范圍為繪圖區(qū)域，繪圖區(qū)域居中設置，完成繪圖初始化。本實施例在繪圖區(qū)域里按每個灰度變化周期畫128條線，共畫7個周期來繪圖，那么只需把圖6中的a取為127，b取為6,c取為3，用Visual Basic語言編程實現該三重循環(huán)即可。
其次，運行上面編好的程序，用計算機控制LCD投影儀將生成的投影圖案按設定的5秒時間間隔依次投射到物體表面上。閱讀可編程視頻采集卡的編程說明，編制相應的程序，在這段時間間隔內，讓CCD攝象機依次記錄下每一幅投影圖案被物體表面調制形成的變形圖像，并把它們存儲成BMP文件。
最后，進行圖像處理，其過程如圖6所示。首先要讀入獲得的圖像文件，把其中的灰度數據存成矩陣，本實施例使用Matlab下的imread()函數直接讀入BMP文件，并把其中的灰度數據存成矩陣；接下來對獲得的數據進行濾波，去除其中的噪聲干擾，本實施例利用了Matlab下功能強大的小波濾波和傅立葉變換工具包來完成這項工作；當依次讀入、濾波處理過各幅圖像數據后，根據N-PHASE算法公式(6)得到物體上各點的相位信息，通過系統(tǒng)的幾何關系由式(3)求出各點的高度，從而重構出物體的三維輪廓。
實驗表明，本發(fā)明的方法大大簡化了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)中的投影、相移部分，取得了令人滿意的結果。
權利要求
1.一種基于移相法的數字投影三維輪廓重構方法，其特征在于包括以下步驟(1)預先編制投影圖案生成程序，用來生成三幅以上有固定相位差的正弦光柵投影圖案；(2)運行所述程序，用計算機控制數字投影儀將投影圖案按一定時間間隔依次投射到被測物體表面上；(3)攝像機依次記錄下每一幅投影圖案被物體表面調制形成的變形圖像；(4)計算機通過圖像采集卡采集視頻圖像，并把圖像數據存儲起來；(5)用N步移相法算法處理這些圖像數據，得到物體上各點的相位信息；(6)根據物體上各點的相位信息以及投影儀、攝象機、被測物體之間的幾何關系重構出物體的三維輪廓。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維傳感與計量領域,本發(fā)明包括:預先編制投影圖案生成程序,用計算機控制數字投影儀將投影圖案按一定時間間隔依次投射到被測物體表面上;攝像機依次記錄下每一幅投影圖案被物體表面調制形成的變形圖像;采集視頻圖像、存儲、處理這些圖像數據;根據物體上各點的相位信息以及投影儀、攝象機、被測物體之間的幾何關系重構出物體的三維輪廓。本發(fā)明大大簡化了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)中的投影、相移部分,取得了較好的結果。
文檔編號G01B11/24GK1302999SQ0110416
公開日2001年7月11日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權日2001年2月23日
發(fā)明者尤政, 于世潔, 王伯雄 申請人:清華大學