用二進位編碼策略實現傅立葉變換輪廓術的方法
2023-08-05 00:43:11
用二進位編碼策略實現傅立葉變換輪廓術的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用二進位編碼策略實現傅立葉變換輪廓術的方法。把一幅高頻正弦結構光圖案按位平面分解為一系列二進位編碼圖案，使用投影裝置向三維目標投射該二進位圖案序列，並用攝像裝置進行同步拍攝，對拍攝的二進位圖像進行二值化處理，再根據位平面與灰度圖像的對應關係合成一幅高頻正弦結構光圖像，利用傅立葉變換輪廓術處理合成的正弦結構光圖像，得到截斷相位，對截斷相位進行相位展開得到絕對相位，用絕對相位和系統標定參數計算出物體表面的三維坐標。本發明可用於測量具有漫反射特性物體的三維面形。本發明能有效避免傳統傅立葉變換輪廓術存在的頻譜混疊問題和背景光幹擾，具有較高的測量精度。
【專利說明】用二進位編碼策略實現傅立葉變換輪廓術的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學三維傳感技術，特別是涉及基於傅立葉變換輪廓術對空間物體的 三維面形測量。
【背景技術】
[0002] 傅立葉變換輪廓術（Fourier Transform Profilometry，簡稱FTP)是一種應用廣泛 的非接觸式光學三維測量技術，論文"Su, X·，& Chen, W. (2001). Fourier transform profilometry: a review. Optics and lasers in Engineering, 1(5)， 263-284"詳細介 紹了傅立葉變換輪廓術的原理。因為傅立葉變換輪廓術一般只需要一幀高頻結構光圖案， 所以它的顯著優點是能實時對運動物體進行三維測量。傅立葉變換輪廓術的核心步驟是在 頻域用帶通濾波器濾除直流分量和高次諧波，提取主頻分量。然而，背景光亮度和物體反射 率在空間上的變化、隨機噪音以及攝像頭-投影機系統的非線性均會產生諧波，而這些諧 波與主頻分量在頻譜上混疊，從而使傅立葉變換輪廓術無法準確提取主頻分量，導致嚴重 的測量誤差。此外，傳統傅立葉變換輪廓術對背景光也很敏感。上述原因致使傅立葉變換 輪廓術雖然實時性較好，但測量精確度較低。二進位編碼技術，作為另一種典型的結構光 三維測量技術，由於其使用的投影圖案只具有兩級灰度，所以解碼的魯棒性較強，相對於連 續灰度編碼具有諸多優勢：一方面，二進位編碼技術能有效抑制隨機噪音；另一方面，它不 受測量系統的非線性、背景光、物體表面反射率等因素影響。此外，現有投影設備掃描二進 製圖案的幀率大大高於掃描灰度圖案的幀率，這為利用二進位編碼技術實施高速三維掃描 提供了保證，例如論文"Li, B·，Wang, Y·，Dai, J·，Lohry, W·，& Zhang, S. (2014). Some recent advances on superfast 3D shape measurement with digital binary defocusing techniques. Optics and Lasers in Engineering, 54, 236-246，'?艮道了米 用二值圖案投影技術實現了 KHz的三維測量速度。如何把二進位編碼技術與傅立葉變換輪 廓術有機結合起來，在保證傅立葉變換輪廓術測量快速性的基礎上，解決背景光亮度和物 體反射率在空間上的變化、隨機噪音以及攝像頭-投影機系統的非線性導致的頻譜混疊問 題，消除背景光的對傅立葉變換輪廓術的影響，從而提高傅立葉變換輪廓術的測量精確度， 應用本發明提及的方案就可以解決這一關鍵技術問題。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對傳統傅立葉變換輪廓術由於背景光亮度和物體反射率在空 間上的變化、隨機噪音以及攝像頭-投影機系統的非線性導致的頻譜混疊問題，提出一種 三維傳感技術中採用二進位編碼策略的傅立葉變換輪廓術，這種方法能解決頻譜混疊問 題，且不受背景光的影響，在保證快速測量的基礎上，具有較高的測量精度。
[0004] 本發明的目的是採用下述技術方案來實現的： 把一幅高頻正弦結構光圖案按位平面分解為一系列二進位編碼圖案，使用投影裝置向 三維目標投射該二進位圖案序列，並用攝像裝置進行同步拍攝，對拍攝的二進位圖像進行 二值化處理，提取出二進位編碼信息，根據位平面與灰度圖像的對應關係合成一幅高頻正 弦結構光圖像，利用傅立葉變換輪廓術處理合成的正弦結構光圖像，從而計算出截斷相位， 對截斷相位進行相位展開得到絕對相位，用絕對相位和測量系統標定參數計算出物體表面 的三維坐標。
[0005] 本發明與現有技術相比有如下優點： 因為本發明在掃描過程中使用二進位編碼圖案，所以本發明方法不受測量系統的非線 性、背景光、物體表面反射率等因素影響，且能有效抑制隨機噪聲，所以本發明能克服傳統 傅立葉變換輪廓術的頻譜混疊問題和背景光幹擾，提高測量精確度；相對於傳統傅立葉變 換輪廓術，本發明由於採用了二進位編碼圖案，對攝像頭亮度飽和具有更強的魯棒性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 圖1為結構光三維測量系統結構圖 圖2為本發明採用二進位編碼策略的傅立葉變換輪廓術的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0007] 下面結合附圖、工作原理對本發明作進一步詳細說明。
[0008] 附圖1為本發明三維測量系統結構圖。採用的裝置有1臺CASIO XJ-M140投影機， 投影機緩存幀大小為800χ 600像素，灰度量化等級為8bit，投影機最大輸出頻率為150幀 /s ;1個Prosilica GC650工業攝像頭,解析度為640 X 480像素,灰度量化等級為8bit,攝 像頭最大捕捉頻率為62幀/s;l臺具有Core i3 3530 CPU，4GB內存的計算機，由計算機對 結構光投影和拍攝過程進行控制。附圖2為本實施例二進位編碼的傅立葉變換輪廓術流程 圖。本實例具體實施步驟如下： (1)對攝像頭和投影機進行標定，分別得到攝像頭與投影機大小為3x 4的投影矩陣 Afwx、A'wp。
[0009] (2)生成一幅高頻正弦結構光圖案，該結構光圖案可以表示為：
【權利要求】
1. 一種用二進位編碼策略實現傅立葉變換輪廓術的方法，其特徵在於把一幅高頻正弦 結構光圖案按位平面分解為一系列二進位編碼圖案，使用投影裝置向三維目標投射該二進 製圖案序列，並用攝像裝置進行同步拍攝，對拍攝的二進位編碼圖像進行處理，提取出二進 制編碼信息，根據位平面與灰度圖像的對應關係合成一幅高頻正弦結構光圖像，利用傅裡 葉變換輪廓術處理合成的正弦結構光圖像，從而計算出截斷相位，對截斷相位進行相位展 開得到絕對相位，用絕對相位和測量系統標定參數計算出物體表面的三維坐標。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的二進位編碼圖案，是指與高頻結構 光圖案具有唯一對應關係的二進位圖案序列，其包括直接二進位編碼圖案和格雷碼圖案。
3. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的二進位編碼圖案，是指灰度圖案或 顏色編碼圖案，其中顏色編碼圖案是在RGB顏色通道中存放多幅二進位圖案，使用顏色編 碼圖案的目的是減少投影圖案數量，提高掃描速度。
4. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的對拍攝的二進位編碼圖像進行處 理，是從拍攝的顏色編碼圖像中分離出各顏色通道的二進位圖像，以及對二進位圖像進行 二值化處理，從而得到每個像素點上的二進位編碼信息（即O或1)。
【文檔編號】G01B11/25GK104315996SQ201410554298
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】劉凱, 龍雲飛, 鄭曉軍, 吳煒, 楊曉敏 申請人:四川大學