專利名稱：投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成像方法，具體是一種投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)三維成像技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)研究方面中的重要部分，作為自動(dòng)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(chǎng)范圍內(nèi)，獲取被測(cè)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(dòng)機(jī)器視覺(jué)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(wèn)題(1)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(guò)多或者單條結(jié)構(gòu)光條紋寬度過(guò)窄時(shí)，造成計(jì)算機(jī)識(shí)別非常困難，后續(xù)處理復(fù)雜。(2)采用移動(dòng)光學(xué)三維成像裝置或移動(dòng)被測(cè)物體的方法，需要較大體積且精度很高的機(jī)械掃描裝置，導(dǎo)致整個(gè)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)采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(guò)程非常復(fù)雜，存在交越誤差。
經(jīng)對(duì)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-dimensional profilometryutilizing laser diode arrays”(基于激光陣列的高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(gè)激光器分成平行的五排，每排二十個(gè)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的中心線上，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(gè)、十個(gè)或二十五個(gè)為一組同時(shí)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(gè)激光器，并利用光學(xué)三角測(cè)量的方法獲取被測(cè)物體表面三維信息，在1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(duì)激光器本身質(zhì)量及其安裝要求很高，裝置制造和加工困難，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高解析度三維成像，可用于設(shè)計(jì)和制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信息處理簡(jiǎn)單和成本較低的高解析度三維面形傳感器。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案方法實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟1)采用平行移動(dòng)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(dòng)，其中B、W和b的單位為投影儀沿該掃描方向上的單個(gè)象素；3)預(yù)先計(jì)算出攝像機(jī)在三維成像的有效視場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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；5)在三維成像的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，面陣條紋充滿攝像機(jī)的視場(chǎng)，攝像機(jī)按頻率F序列拍攝被測(cè)物體表面上的步進(jìn)頻率為f的變形條紋圖像，經(jīng)圖像采集卡按頻率F序列采集到計(jì)算機(jī)，利用光學(xué)三角測(cè)量的手段，獲取變形條紋對(duì)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(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高解析度三維成像。
在三維成像的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，攝像機(jī)攝取的投影結(jié)構(gòu)光條紋，從攝取的第一幀圖像中最下方的完整的結(jié)構(gòu)光條紋開始計(jì)數(shù)編碼，結(jié)構(gòu)光條數(shù)和結(jié)構(gòu)光條紋平行移動(dòng)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。面陣條紋的步距b最小為投影儀在該掃描方向上的一個(gè)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)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。
當(dāng)攝像機(jī)攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，二維圖像中黑色結(jié)構(gòu)光寬度超過(guò)5個(gè)象素時(shí)，可根據(jù)需要，計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。
本發(fā)明可根據(jù)需要，投影儀向被測(cè)物體投影的面陣條紋可以是循環(huán)周而復(fù)始的。
本發(fā)明采用投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，采用計(jì)算機(jī)控制投影儀和攝像機(jī)，投影儀向被測(cè)物體投影有一定寬度的面陣條紋，并按一定的速度沿投影儀垂直掃描方向步進(jìn)平行移動(dòng)面陣條紋，每條結(jié)構(gòu)光條紋及其每次步進(jìn)都能夠被識(shí)別和區(qū)分，從而提高了計(jì)算機(jī)對(duì)變形后的結(jié)構(gòu)光條紋識(shí)別和區(qū)分的能力，降低了高解析度成像的難度和計(jì)算機(jī)的信息處理量，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、實(shí)現(xiàn)容易、成本較低，應(yīng)用范圍廣，且系統(tǒng)的三維空間采樣精度和成像效率大幅提高。


圖1為本發(fā)明的基本原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的投影圖像中面陣條紋平行移動(dòng)的基本原理示意圖。
圖3為本發(fā)明采用的投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列相鄰兩條結(jié)構(gòu)光經(jīng)過(guò)n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(shí)刻攝取圖像時(shí)，前一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過(guò)程。
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(guò)n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(shí)刻攝取圖像時(shí)，前一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示，為本發(fā)明的基本原理示意圖，計(jì)算機(jī)控制投影儀和攝像機(jī)，投影儀發(fā)出投影圖像投影到被測(cè)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(dòng)。當(dāng)平行的面陣條紋投影到被測(cè)物體上時(shí)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(guò)圖像采集卡采集到計(jì)算機(jī)。投影儀可采用普通的液晶投影儀等。攝像機(jī)可采用普通的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(chǎng)交匯區(qū)域?yàn)槿S成像的有效視場(chǎng)。在三維成像的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，攝像機(jī)攝取的投影結(jié)構(gòu)光條紋，從攝取的第一幀圖像中最下方的完整的結(jié)構(gòu)光條紋開始計(jì)數(shù)編碼，結(jié)構(gòu)光條數(shù)和結(jié)構(gòu)光條紋平行移動(dòng)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。面陣條紋的步距b最小為投影儀在該掃描方向上的一個(gè)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。
計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。同時(shí)，當(dāng)攝取圖像中黑色結(jié)構(gòu)光寬度超過(guò)5個(gè)象素時(shí)，計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。利用光學(xué)三角測(cè)量的手段，獲取和累積三維數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高解析度三維成像。
如圖2所示，為本發(fā)明的投影圖像中面陣條紋平行移動(dòng)的基本原理示意圖，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，投影圖像中的面陣條紋與投影儀水平掃描方向平行，在t時(shí)刻的結(jié)構(gòu)光條紋1經(jīng)過(guò)1/f時(shí)刻后步進(jìn)距離為b，即面陣條紋按步進(jìn)頻率f和步距b沿投影儀垂直掃描方向作步進(jìn)平行移動(dòng)。預(yù)先計(jì)算出攝像機(jī)在三維成像的有效視場(chǎng)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(chǎng)范圍內(nèi)經(jīng)投影放大后的尺寸。在三維成像的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，投影儀生成的結(jié)構(gòu)光條紋的寬度B、間隔W和步距b大于等于攝像機(jī)在結(jié)構(gòu)光寬度方向上的最低分辨率，從而保證每條結(jié)構(gòu)光條紋及其每次步進(jìn)都能夠被識(shí)別和區(qū)分。
如圖3所示，是本發(fā)明采用的投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列相鄰兩條結(jié)構(gòu)光經(jīng)過(guò)n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(shí)刻攝取圖像時(shí)，前一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過(guò)程。當(dāng)滿足寬度B和間隔W的和是步距b的整數(shù)n倍時(shí)，投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列相鄰兩條結(jié)構(gòu)光條紋按步進(jìn)頻率f和步距b沿投影儀垂直掃描方向經(jīng)過(guò)n次步進(jìn)平移后，后一條結(jié)構(gòu)光條紋覆蓋前一條結(jié)構(gòu)光條紋在投影圖像中所處位置，即在t+n/f時(shí)刻結(jié)構(gòu)光條紋2覆蓋在t時(shí)刻結(jié)構(gòu)光條紋1在投影圖像中所處位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體n次細(xì)分的三維成像。
圖4所示，是本發(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(guò)n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(shí)刻攝取圖像時(shí)，前一條結(jié)構(gòu)光在投影圖像中所處位置的過(guò)程。當(dāng)不滿足寬度B和間隔W的和是步距b的整數(shù)n倍時(shí)，當(dāng)投影儀向被測(cè)物體投影的面陣條紋是循環(huán)周而復(fù)始的，投影圖像的象素個(gè)數(shù)是固定值時(shí)，投影圖像中結(jié)構(gòu)光陣列不相鄰兩條結(jié)構(gòu)光條紋按步進(jìn)頻率f和步距b沿投影儀垂直掃描方向經(jīng)過(guò)n次步進(jìn)平移后，后一條結(jié)構(gòu)光條紋覆蓋前一條結(jié)構(gòu)光條紋在投影圖像中所處位置，即在t+n/f時(shí)刻結(jié)構(gòu)光條紋N+1覆蓋在t時(shí)刻結(jié)構(gòu)光條紋1在投影圖像中所處位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體n次細(xì)分的三維成像。
由于黑白相間的二值結(jié)構(gòu)光條紋陣列比線激光更易識(shí)別，當(dāng)投影儀向被測(cè)物體投影30條結(jié)構(gòu)光條紋，每條結(jié)構(gòu)光寬度為10個(gè)象素，前后相鄰兩條結(jié)構(gòu)光的間隔為10個(gè)象素，面陣條紋按步進(jìn)頻率12.5Hz沿投影儀垂直掃描方向以步進(jìn)平行移動(dòng)，每次步距為4個(gè)象素，攝像機(jī)和圖像采集卡按每秒25幀的速度采集，在攝取圖像中的結(jié)構(gòu)光寬度和間隔大于等于5個(gè)象素且每次步距都大于等于攝取圖像的2個(gè)象素，即結(jié)構(gòu)光條紋的寬度、間隔和步距能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別時(shí)，則本發(fā)明在0.4秒鐘內(nèi)三維成像的空間采樣解析度為300線。當(dāng)三維成像的時(shí)間進(jìn)一步增加，或者面陣條紋數(shù)進(jìn)一步增加時(shí)，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)像元級(jí)三維成像。與同等條件下采用激光陣列的高速三維面形成像的方法相比，本發(fā)明的成像效率和采樣精度是其3倍以上，同時(shí)大幅降低了高解析度三維成像裝置的復(fù)雜度，且計(jì)算機(jī)容易識(shí)別和區(qū)分變形后的結(jié)構(gòu)光條紋。
權(quán)利要求
1.一種投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用平行移動(dòng)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(dòng)，其中B、W和b的單位為投影儀沿該掃描方向上的單個(gè)象素；3)預(yù)先計(jì)算出攝像機(jī)在三維成像的有效視場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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；5)在三維成像的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，面陣條紋充滿攝像機(jī)的視場(chǎng)，攝像機(jī)按頻率F序列拍攝被測(cè)物體表面上的步進(jìn)頻率為f的變形條紋圖像，經(jīng)圖像采集卡按頻率F序列采集到計(jì)算機(jī)，利用光學(xué)三角測(cè)量的手段，獲取變形條紋對(duì)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(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高解析度三維成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，在三維成像的有效視場(chǎng)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，在三維成像的有效視場(chǎng)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(dòng)最前方的第一條完整的結(jié)構(gòu)光條紋開始計(jì)數(shù)編碼，結(jié)構(gòu)光條數(shù)和結(jié)構(gòu)光條紋平行移動(dòng)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，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(gè)象素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，投影儀自身刷新頻率是攝像機(jī)拍攝頻率F的兩倍以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，當(dāng)攝像機(jī)攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者6所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，當(dāng)攝像機(jī)攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，二維攝取圖像中黑色結(jié)構(gòu)光寬度超過(guò)5個(gè)象素時(shí)，計(jì)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(cè)量時(shí)的計(jì)算識(shí)別對(duì)象。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，其特征是，或者投影儀向被測(cè)物體投影的面陣條紋是循環(huán)周而復(fù)始的。
全文摘要
一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的投影儀生成平移面陣條紋實(shí)現(xiàn)高解析度三維成像的方法，采用平行移動(dòng)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，面陣條紋按步距b和頻率f沿投影儀的垂直掃描方向步進(jìn)移動(dòng)，在三維成像的視場(chǎng)范圍內(nèi)，投影在被測(cè)物體上的每條結(jié)構(gòu)光條紋及其每次步進(jìn)，經(jīng)攝像機(jī)和圖像采集卡按頻率F采集后都能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和區(qū)分；利用光學(xué)三角測(cè)量的手段，獲取和累積三維數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高解析度三維成像。本發(fā)明能用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、實(shí)現(xiàn)容易、成本較低的高解析度三維面形傳感器，應(yīng)用范圍廣，且三維空間采樣精度和成像效率大幅提高。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1786810SQ20051011099
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者陳亞珠, 程勝, 郝麗俊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)