一種光學(xué)的成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)的成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)三維成像技術(shù)是機(jī)器視覺研究方面中的重要部分，作為自動化技術(shù)的“眼睛”，在諸多領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用。高解析度光學(xué)三維成像系統(tǒng)能夠在由投影裝置的投影光路與攝像機(jī)的接收光路共同組成的有效視場范圍內(nèi)，獲取被測物體表面更多的三維數(shù)據(jù)，從而達(dá)到三維空間的高采樣精度的目標(biāo)。目前在主動機(jī)器視覺領(lǐng)域采用以下幾種高解析度光學(xué)三維成像的方法并存在各自的問題:(I)采用增加投影的結(jié)構(gòu)光條紋數(shù)量的方法，當(dāng)投影條紋的數(shù)量越多，單條投影條紋的寬度就越窄，受成像裝置自身的成像分辨率和物體本身凹凸起伏前后遮擋的限制，當(dāng)條紋數(shù)量過多或者單條結(jié)構(gòu)光條紋寬度過窄時，造成計算機(jī)識別非常困難，后續(xù)處理復(fù)雜。(2)采用移動光學(xué)三維成像裝置或移動被測物體的方法，需要較大體積且精度很髙的機(jī)械掃描裝置，導(dǎo)致整個成像系統(tǒng)的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高。(3)采用旋轉(zhuǎn)擺鏡改變投影裝置投影光路或者成像裝置接收光路的方法，由于附加了光學(xué)掃描裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(4)采用插值細(xì)分的方法，后續(xù)處理復(fù)雜，且插值所獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定的誤差。(5)釆用相位移法雖然也能夠獲取高解析度的三維面形，但是需要已知參考面的相位，求解運(yùn)算過程非常復(fù)雜，存在交越誤差。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，刊登在《Optical Engineering》(光學(xué)工程)42(12) (2003), 3595-3599 上的文章 “high speed three-dimens1n profilometryutilizing laser d1de arrays”(基于激光陣列的髙速三維面形成像的方法)，曾提出這樣一種面陣條紋投影裝置:以一百個激光器分成平行的五排，每排二十個激光器以縱向中心間距十毫米排列，五條柱面鏡平行安裝在每排激光器陣列中心線上，橫向每間隔兩排的激光器偏移兩毫米，投影裝置分別以三個、十個或二十五個為一組同時點(diǎn)亮發(fā)出三條、十條或二十五條平行的線激光，從而依次開/關(guān)一百個激光器，并利用光學(xué)三角測量的方法獲取被測物體表面三維信息，在I秒鐘內(nèi)能實(shí)現(xiàn)解析度為100線的三維成像。但是，上述裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對激光器本身質(zhì)量及其安裝要求很髙，裝置制造和加工困難，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實(shí)用的光學(xué)的成像方法，使其實(shí)現(xiàn)對被測物體的高解析度三維成像，可用于設(shè)計和制造結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信息處理簡單和成本較低的高解析度三維面形傳感器。
[0005]為達(dá)成以上所述的目的，本發(fā)明的一種光學(xué)的成像方法，采取如下技術(shù)方案: 一種光學(xué)的成像方法，其特征在于，包括以下步驟，
1)釆用平行移動面陣條紋的掃描方式，投影儀生成的投影圖像中的面陣條紋是黑白相間的二值結(jié)構(gòu)光條紋陣列；
2)投影圖像中的單條結(jié)構(gòu)光條紋寬度為B，前后相鄰兩條結(jié)構(gòu)光的間隔為W，面陣條紋按步距B和步進(jìn)頻率f沿投影儀的垂直掃描方向步進(jìn)平行移動，其中B、W和b的單位為投影伩沿該掃描方向上的單個象素；
3)預(yù)先計算出攝像機(jī)在三維成像的有效視場范圍內(nèi)的分辨率和投影圖像中結(jié)構(gòu)光條紋寬度B、間隔W和步距b在三維成像的有效視場范圍內(nèi)經(jīng)投影放大后的尺寸；
4)在三維成像的有效視場范圍內(nèi)，投影儀生成的結(jié)構(gòu)光條紋寬度B，間隔W從和步距b經(jīng)投影放大后的尺寸大于等于攝像機(jī)在結(jié)構(gòu)光條紋寬度方向上的最低分辨率；
5)在三維成像的有效視場范圍內(nèi)，面陣條紋充滿攝像機(jī)的視場，攝像機(jī)按頻率F序列拍攝被測物體表面上的步進(jìn)頻率為f的變形條紋圖像，經(jīng)圖像釆集卡按頻率F序列采集到計算機(jī)，利用光學(xué)三角測量的手段，獲取變形條紋對應(yīng)的三維坐標(biāo)值；攝像機(jī)拍攝頻率F是面陣條紋步進(jìn)頻率f的兩倍以上；
6)累積計算來實(shí)現(xiàn)對被測物體的高解析度三維成像。
[0006]所述的一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成像方法，其特征是，在三維成像的有效視場范圍內(nèi)，投影儀生成的結(jié)構(gòu)光條紋寬度B、間隔W和步距b經(jīng)投影放大后的尺寸大于等于攝像機(jī)在結(jié)構(gòu)光條紋寬度方向上的最低分辨率，在三維成像的有效視場范圍內(nèi)，從攝像機(jī)攝取的第一幀圖像中，面陣條紋平行移動最前方的第一條完整的結(jié)構(gòu)光條紋開始計數(shù)編碼，結(jié)構(gòu)光條數(shù)和結(jié)構(gòu)光條紋平行移動直至重合需要步進(jìn)的次數(shù)，兩者乘積決定三維成像的最高解析度，投影圖像中的面陣條紋的步距b最小為投影儀在該掃描方向上的一個象素，投影儀自身刷新頻率是攝像機(jī)拍攝頻率F的兩倍以上，當(dāng)攝像機(jī)攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡釆集到計算機(jī)，計算機(jī)依次提取二維圖像中黑色結(jié)構(gòu)光條紋的中心線，以此作為三角測量時的計算識別對象，當(dāng)攝像機(jī)攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)釆集卡采集到計算機(jī)，二維攝取圖像中黑色結(jié)構(gòu)光寬度超過5個象素時，計算機(jī)依次提取結(jié)構(gòu)光條紋沿步進(jìn)方向黑色部分一側(cè)的邊緣線，以此作為三角測量時的計算識別對象，或者投影儀向被測物體投影的面陣條紋是循環(huán)周而復(fù)始的。
[0007]采用如上技術(shù)方案的本發(fā)明，具有如下有益效果:
使其實(shí)現(xiàn)對被測物體的高解析度三維成像，可用于設(shè)計和制造結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信息處理簡單和成本較低的高解析度三維面形傳感器。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的基本原理示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明的投影圖像中面陣條紋平行移動的基本原理示意圖。
[0010]圖3為本發(fā)明釆用的投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列相鄰兩條結(jié)構(gòu)光經(jīng)過η次步進(jìn)平移后，相鄰的后一條結(jié)構(gòu)光率先覆蓋攝像機(jī)在t時刻攝取圖像時，前一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過程。
[0011]圖4為本發(fā)明采用的投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列不相鄰兩條結(jié)構(gòu)光經(jīng)過η次步進(jìn)平移后，不相鄰的后一條結(jié)構(gòu)光率先覆蓋攝像機(jī)在t時刻攝取圖像時，in一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過程。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步進(jìn)行說明: 如圖1所示，計算機(jī)控制投影伩和攝像機(jī)，投影儀發(fā)出投影圖像投影到被測物體上，在投影圖像中的面陣條紋按步進(jìn)頻率f平行移動。當(dāng)平行的面陣條紋投影到被測物體上時發(fā)生變形。攝像機(jī)攝取變形后的面陣條紋的圖像，并通過圖像釆集卡采集到計算機(jī)。投影儀可采用普通的液晶投影儀等。攝像機(jī)可釆用普通的CCD攝像機(jī)或者CMOS攝像機(jī)等。在投影儀和攝像機(jī)兩者的視場交匯區(qū)域?yàn)槿S成像的有效視場。在三維成像的有效視場范