一種空間編碼的光學三維輪廓測量方法
2023-09-15 06:13:30 1
專利名稱：一種空間編碼的光學三維輪廓測量方法
技術領域：
本發明屬於光電測量領域，特別涉及一種空間編碼的光學三維輪廓測 量方法。
背景技術：
光學三維輪廓測量技術一直是三維傳感與計量領域研究的熱點，廣泛 應用於製造業、計算機輔助醫學、虛擬實境、文化遺產保護等方面。由於 其具有非接觸、非破壞、速度快、精度高等特點，使其成為最為理想的輪 廓形貌測量手段。
結構光編碼三維輪廓測量方法，根據投射到物體上的光場以及投影系 統、採集系統與被測物基準的幾何關係解調出被測物場的三維信息。對投 影出的每條光刀需要進行編碼，以相互區別。編碼可分為空間編碼和時間 編碼，空間編碼法只需一次投射就可獲得被測物體的深度圖像，適合於動 態測量，但目前分辨力還不能滿足要求，編碼圖案易受景物表面特性不同 而產生的噪聲點影響，發生解碼錯誤。時間編碼常用二進位編碼將多次不 同的投射圖案編碼序列組合起來進行解碼，解碼錯誤率低，但其方法要求 投射空間位置保持不變，並進行多次投射，因此測量速度受到影響。在多 光刀編碼方法中，普遍存在著光刀條紋間距和光刀圖案識別這一對矛盾對 立統一體，條紋間距越小，理論上解析度越高，但是使得光刀圖案識別變 得越來越困難，理論上的解析度無法體現，從而大大限制了測量精度。
另外，編碼速度是限制測量速度的一個重要方面。時間編碼將預製好 的投影圖案按一定順序要求依次投影到被測物體表面，投影次數越多，編碼過程就越長，測量速度就相對變低。因此，選取一種合適的方法，在同 等投影條紋密度下，減少投影次數，提高編碼速度，對提高測量效率將起 重要作用。
因此，十分必要研究能夠協調或解決上述問題的三維輪廓測量方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠解決光刀間距與光刀識別問題，並提 高編碼速度的空間編碼光學三維輪廓測量方法。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是採用多色條紋構成組合 條紋，來代替傳統的黑白條紋，完成對條紋的編碼，對輪廓進行測量，接 著對條紋移位，重複測量過程，對測量數據進行整合，得到被測對象的三 維輪廓數據。
其具體步驟如下1)採用多色條紋構成多色彩條紋組，代替傳統的 黑白條紋，設每個條紋的間隔為M;
2)對多色彩條紋組按編碼要求的投影次序進行投影，投影時以組為 單位，即彩條紋組代替傳統投影時的黑白條紋；
3)將多組彩色條紋用高解析度數字投影儀，按投影次序依次投射至被
測物體表面，通過高分辨彩色CCD依次記錄下物體表面的變形條紋，即為 一次完整投影；
4) 調整投影儀使投影條紋依次偏移一個小於M的距離，重複過程3) 得到多組完整投影；
5) 對每次完整投影採集得到的變形條紋進行圖像處理後提取光刀中 心，利用空間編碼三維輪廓測量方法解算重構每次得到的物體輪廓信息；
6) 將所有每次得到的輪廓信息整合，最終得到物體完整三維輪廓信 息。本發明投影條紋依次偏移的距離依據測量精度的需要進行選擇，需要
偏移一次，距離取M/2，需要偏移兩次，距離取M/3，以此類推。
由於本發明引入色彩信息，結合條紋移位測量方式，解決了編碼時投 影場次過多以及光刀過密時的識別問題，有效解決結構光編碼三維輪廓測 量中速度和精度的矛盾，從而提高了三維輪廓測量精度及效率。
圖1是本發明的測量裝置原理圖2是以8組彩色組合條紋的投影條紋圖為例，事先預製的投影條紋，
四色為一組，彩色條紋間距設為M;
圖3是以格雷編碼方法為例說明彩色預製條紋的編碼投影過程，即按
照編碼要求以組為單位對被測物體表面按一定次序進行投影，並依次採集
每次物體表面的變形條紋；
圖4是經編碼投影后，原始預製條紋組對應的編碼信息；
圖5是以移位3次為例，總共計算得到的四幅輪廓信息圖，其中圖5a 是原始投影測量計算結果，圖5b是第一次移位投影測量計算結果，圖5c 是第二次移位投影測量計算結果，圖5d是第三次移位投影測量計算結果， 圖5e是整合結果最終得到物體完整三維輪廓信息圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
參見圖1，為空間編碼三維輪廓測量原理圖，首先按照設計選取合適 的投影系統、CCD、採集卡和計算機構建測量系統，並進行標定，以確定 空間編碼輪廓求解方程組。
本發明的測量過程如下1)參見圖2，以8組彩色組合條紋為例，每 四色條紋為一組(白、紅、綠、藍四個)，設彩條紋間距為M，預製彩色投 影條紋如圖2;2) 參見圖3，以單個彩色組合條紋代替傳統投影中的黑白條紋，對彩 條紋組進行編碼投影，即按照一定投影次序以組為單位進行依次投影並採
集物體表面變形條紋，以格雷編碼方法為例投影過程如圖3;
3) 8個組經編碼投影，每個組獲得編碼值，如圖4說明，組內因顏色 信息自動形成編碼，此為一次完整投影；
4) 依據測量需要讓投影條紋依次偏移一個小於M的距離，偏移距離 依據測量精度需要(例如偏移距離為M/2時偏移一次，若為M/3則偏移 兩次，以此類推)，重複過程3);本實施例採用M/4偏移三次進行說明；
5) 對每次完整投影採集得到的變形條紋進行圖像處理(採用去噪處 理)後提取光刀中心，利用空間編碼三維輪廓測量方法解算程序重構每次 得到的物體輪廓信息，過程示意見圖5a、圖5b、圖5c和圖5d;
6) 將所有每次得到的輪廓信息整合，即每次計算出的輪廓線整合在 一起，最終得到物體完整三維輪廓信息參見圖5e。
本發明採取顏色細分思想，將色彩條紋(例如白、紅、綠、藍四色條
紋)當作一組，看作是原來二進位編碼中的一個條紋，通過色彩信息來輔
助二進位編碼識別光刀。
二進位編碼的原理是將不同的光柵編碼圖案先在計算機的控制下由
投影儀依次投影到被測物體上，然後由CCD攝像機按順序拍攝條紋圖像。
對所得的條紋圖像進行黑白二值化處理，將圖像中白色條紋區域的像素標
記為"1"，黑色條紋區域的像素標記為"0"。這樣每經過一次投影，圖
像中每一個像素就獲得一個二進位數"0"或"1"。待投影圖案全部投影
完後將像素所獲得的二進位數按順序組合起來。具有相同編碼的像素就構
成一個光刀，每個光刀具有唯一的編碼。投影條紋數目越多，序列圖數目
就越多，採樣點越密集，光刀中心提取越困難，造成的誤差也會越大。
本方法在保留其優點的前提下，彌補其不足。即採取顏色細分思想，
例如將白、紅、綠、藍四個條紋當作一組，看作是原來二進位編碼中的一個條紋，這樣對彩色條紋組按照二進位的編碼方式進行編碼後，每個彩條 紋組就是唯一的，由於其顏色信息是唯一的，因而各個組條紋中的彩色條 紋結合二進位編碼就自動形成對應的編碼。這樣做的明顯好處就是在不增
加投影圖次數的基礎上將投影的光刀數提高4倍(若選用顏色信息增多， 可提高的倍數越多)，顏色信息比灰度信息易區分，從而提高光刀中心提 取精度。另一個優點，引入色彩信息可以減少投影次數，提高編碼速度。 彩色投影還帶來一個靈活性，即可根據被測對象表面情況選擇合適的顏色 (可避免和物體顏色接近而不易區分等)進行投影。
為進一步克服投影光刀太密，造成條紋圖案識別困難，需保持適度光 刀投影間距；但投影間距過寬又造成精度達不到要求，因此再採用條紋移 位方式解決上述矛盾。即在上述投影條紋的基礎上使條紋發生移位(移位 距離在一個條紋周期內)，重複上面的編碼及其測量過程。偏移步長在一 個條紋周期按需要進行均分。這樣彌補了光刀間的測點，保證了測量精度， 也避免了因投影光刀太密，造成條紋圖案識別困難的問題。
本方法在保證編碼準確的同時又成數倍的提高了測量效率；由於色彩 信息是在組合條紋中，發生解碼錯誤的可能性大大減少；採用條紋移位測 量的方式又進一步提高了測量精度。
權利要求
1、一種空間編碼的光學三維輪廓測量方法，其特徵在於採用多色條紋構成組合條紋，來代替傳統的黑白條紋，完成對條紋的編碼，對輪廓進行測量，接著對條紋移位，重複測量過程，對測量數據進行整合，得到被測對象的三維輪廓數據。
2、 如權利要求1所述的一種空間編碼的光學三維輪廓測量方法，其 特徵在於包括以下步驟-1) 採用多色條紋構成多色彩條紋組，代替傳統的黑白條紋，設每個 條紋的間隔為M;2) 對多色彩條紋組按編碼要求的投影次序進行投影，投影時以組為 單位，即彩條紋組代替傳統投影時的黑白條紋；3)將多組彩色條紋用高解析度數字投影儀，按投影次序依次投射至被 測物體表面，通過高分辨彩色CCD依次記錄下物體表面的變形條紋，即為 一次完整投影；4) 調整投影儀使投影條紋依次偏移一個小於M的距離，重複過程3) 得到多組完整投影；5) 對每次完整投影採集得到的變形條紋進行圖像處理後提取光刀中 心，利用空間編碼三維輪廓測量方法解算重構每次得到的物體輪廓信息；6) 將所有每次得到的輪廓信息整合，最終得到物體完整三維輪廓信息。
3、 根據權利要求2所述的空間編碼的光學三維輪廓測量方法，其特 徵在於所說的投影條紋依次偏移的距離依據測量精度的需要進行選擇， 需要偏移一次，距離取M/2，需要偏移兩次，距離取M/3，以此類推。
全文摘要
一種空間編碼的光學三維輪廓測量方法，屬於光電測量領域，採用顏色信息條紋對二進位編碼條紋進行細分的思想，代替原來二進位編碼中的一個條紋。顏色信息易於識別，解決了條紋間距與條紋識別的矛盾。再通過條紋移位多次測量的方式，測取上一步中彩色條紋間隔中的空間點，這樣相當於進一步細化了測量間隔，同時移位測量的方式也避免了因投影光刀太密，而產生的條紋識別困難問題。最後，整合幾次測量結果，得到物體三維輪廓信息。通過本方法，能夠有效解決結構光三維輪廓測量中條紋編碼與速度、條紋間距與識別的矛盾，保證在結構光編碼測量中提高測量精度的同時避免降低測量速度，或在保證一定精度的條件下可提高測量速度。
文檔編號G01B11/25GK101608906SQ20091002339
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者昭 王, 明 陽, 高建民, 黃軍輝 申請人:西安交通大學