基于条纹投影轮廓术的高效相位‑三维映射方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于光学三维数字成像技术领域，提供了一种基于条纹投影轮廓术的高效相位‑三维映射方法，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，双目系统包括投影装置和成像装置，方法包括：步骤S1，利用投影装置投影条纹序列到待测物体表面，并利用成像装置采集受待测物体表面调制的变形条纹图，根据所述变形条纹图计算得到成像装置图像上所有像素点的相位；步骤S2，在预置的相位‑三维映射系数查找表中查找出每一个像素点对应的相位‑三维映射系数，并将每一个像素点的所述相位和对应的相位‑三维映射系数代入相位‑三维映射函数，从而计算出成像装置图像上每一个像素点对应的物点的三维坐标。本发明专利技术提供的方法可实现条纹投影轮廓术的高效三维重建。

【技术实现步骤摘要】
基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射方法及系统
本专利技术属于光学三维数字成像
，尤其涉及一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射方法及系统。
技术介绍
条纹投影轮廓术是一种非接触式、全场测量的光学三维数字成像与测量方法；其基于一个双目系统，双目系统通常包括一个相机和一个投影机，其中，投影机投影一组正弦条纹序列到被测物体表面，相机采集受物体表面调制的变形条纹图；通过条纹分析技术获取变形条纹图的调制相位，通过场景重建方法从调制相位中恢复被测物体的三维形貌。有两种典型的基于条纹投影轮廓术的三维重建方法：相位-高度映射法和立体视觉法；其中，相位-高度映射法根据相位与高度的调制原理将相位直接映射为高度，实现高效三维重建。然而，在实际应用中相位-高度映射法存在一些限制，诸如相机或投影机的光轴需垂直于参考平面，相机和投影机中心的连线平行于参考平面，参考平面限制了测量空间等。此外，相位-高度映射法的标定通常需要使用精密位移平台或量块获取精确的高度值，不适合现场标定。而立体视觉法是根据三角测量原理进行三维重建。相较而言，由于采用双目系统结构，立体视觉法克服了在相位-高度映射法中的那些应用限制；而且立体视觉法的标定过程更加灵活，只需将标靶放置在测量空间中合适的位置即可完成系统标定。然而，在重建过程中，立体视觉法需要进行一系列的坐标变换，特别是搜索相机与投影机之间的对应点，大大增加了计算复杂度和时间成本，显著降低了三维重建的效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射方法及系统，旨在将相位直接映射到空间点的三维坐标，进而实现待测物体的高效三维重建。本专利技术提供了一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射方法，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，所述双目系统包括投影装置和成像装置，所述方法包括：步骤S1，利用投影装置投影条纹序列到待测物体表面，并利用成像装置采集受所述待测物体表面调制的变形条纹图，根据所述变形条纹图计算得到成像装置图像上所有像素点的相位；步骤S2，在预置的相位-三维映射系数查找表中查找出每一个像素点对应的相位-三维映射系数，并将每一个像素点的所述相位和对应的相位-三维映射系数代入预置的相位-三维映射函数，从而计算出成像装置图像上每一个像素点对应的物点的三维坐标。进一步地，所述相位-三维映射函数为：其中，(Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc))是所述待测物体的空间点三维坐标，φc是像素点对应的相位，an,bn,cn,cX，cY，cZ是相位-三维映射系数，其中，an,bn,cn是分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中多项式的系数，cX,cY,cZ分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中的常数项。进一步地，所述步骤S1之前还包括：步骤S01，通过射线重投影策略标定出所述双目系统的系统参数；步骤S02，结合所述系统参数，通过采样映射策略标定出相位-三维映射系数，并得到相位-三维映射系数查找表。进一步地，所述步骤S01具体包括：步骤S011，将印有标志点的标靶置于标定空间，利用所述成像装置采集所述标靶的成像装置图像，然后利用投影装置投影正交条纹序列到所述标靶上，利用所述成像装置采集受印有所述标志点的标靶表面调制的正交条纹图；步骤S012，提取所述标志点在所述成像装置图像上像素点的坐标；步骤S013，通过所述正交条纹图计算正交相位，并通过正交相位确定所述标志点在投影装置图像上像素点的坐标；步骤S014，通过反向投影立体视觉模型，结合系统参数确定标志点在成像装置图像上像素点的坐标和投影装置图像上像素点的坐标分别反向投影的空间射线，通过预置的射线重投影策略调整所述系统参数，以所述标志点到所对应的两条空间射线的距离之和最小时的系统参数作为标定出的所述双目系统的系统参数。进一步地，所述步骤S02具体包括：步骤S021，利用标定出的系统参数确定成像装置图像上任一像素点的坐标反向投影的空间射线；步骤S022，在标定空间内沿所述空间射线进行采样，得到一系列的空间采样点，将该系列空间采样点分别投影到投影装置图像上，得到对应的相位值；步骤S023，使用该系列采样点分别对应的相位值和该系列采样点的三维坐标拟合出所述任一像素点的相位-三维映射系数；步骤S024，对所述成像装置图像上的每个像素点重复步骤S021-S023，得到每个像素点的相位-三维映射系数，并生成相位-三维映射系数查找表。本专利技术还提供了一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射系统，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，所述双目系统包括投影装置和成像装置，所述相位-三维映射系统包括：相位获取模块，用于利用投影装置投影条纹序列到待测物体表面，并利用成像装置采集受所述待测物体表面调制的变形条纹图，根据所述变形条纹图计算得到成像装置图像上所有像素点的相位；三维坐标获取模块，用于在预置的相位-三维映射系数查找表中查找出每一个像素点对应的相位-三维映射系数，并将每一个像素点的所述相位和对应的相位-三维映射系数代入预置的相位-三维映射函数，从而计算出成像装置图像上每一个像素点对应的物点的三维坐标。进一步地，所述相位-三维映射函数为：其中，(Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc))是所述待测物体的空间点三维坐标，φc是像素点对应的相位，an,bn,cn,cX,cY,cZ是相位-三维映射系数，其中，an,bn,cn是分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中多项式的系数，cX,cY,cZ分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中的常数项。进一步地，所述相位-三维映射系统还包括标定模块，所述标定模块用于对相位-三维映射系数进行标定，所述标定模块包括第一标定子模块和第二标定子模块；所述第一标定子模块，用于通过射线重投影策略标定出所述双目系统的系统参数；所述第二标定子模块，用于结合所述系统参数，通过采样映射策略标定出相位-三维映射系数，并得到相位-三维映射系数查找表。进一步地，所述第一标定子模块具体包括：采集子模块，用于将印有标志点的标靶置于标定空间，利用所述成像装置采集所述标靶的成像装置图像，然后利用投影装置投影正交条纹序列到所述标靶上，利用所述成像装置采集受印有所述标志点的标靶表面调制的正交条纹图；第一坐标获取子模块，用于提取所述标志点在所述成像装置图像上像素点的坐标；第二坐标获取子模块，用于通过所述正交条纹图计算正交相位，并通过正交相位确定所述标志点在投影装置图像上像素点的坐标；系统参数标定子模块，用于通过反向投影立体视觉模型，结合系统参数确定标志点在成像装置图像上像素点的坐标和投影装置图像上像素点的坐标分别反向投影的空间射线，通过预置的射线重投影策略调整所述系统参数，以所述标志点到所对应的两条空间射线的距离之和最小时的系统参数作为标定出的所述双目系统的系统参数。进一步地，所述第二标定子模块具体包括：空间射线投影子模块，用于利用标定出的系统参数确定成像装置图像上任一像素点的坐标反向投影的空间射线；相位值获取子模块，用于在标定空间内沿所述空间射线进行采样，得到一系列的空间采样点，将该系列空间采样点分别投影到投影装置图像上，得到对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于条纹投影轮廓术的高效相位‑三维映射方法，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，所述双目系统包括投影装置和成像装置，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，利用投影装置投影条纹序列到待测物体表面，并利用成像装置采集受所述待测物体表面调制的变形条纹图，根据所述变形条纹图计算得到成像装置图像上所有像素点的相位；步骤S2，在预置的相位‑三维映射系数查找表中查找出每一个像素点对应的相位‑三维映射系数，并将每一个像素点的所述相位和对应的相位‑三维映射系数代入预置的相位‑三维映射函数，从而计算出成像装置图像上每一个像素点对应的物点的三维坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射方法，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，所述双目系统包括投影装置和成像装置，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，利用投影装置投影条纹序列到待测物体表面，并利用成像装置采集受所述待测物体表面调制的变形条纹图，根据所述变形条纹图计算得到成像装置图像上所有像素点的相位；步骤S2，在预置的相位-三维映射系数查找表中查找出每一个像素点对应的相位-三维映射系数，并将每一个像素点的所述相位和对应的相位-三维映射系数代入预置的相位-三维映射函数，从而计算出成像装置图像上每一个像素点对应的物点的三维坐标。2.如权利要求1所述的高效相位-三维映射方法，其特征在于，所述相位-三维映射函数为：其中，(Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc))是所述待测物体的空间点三维坐标，φc是像素点对应的相位，an,bn,cn,cX,cY,cZ是相位-三维映射系数，其中，an,bn,cn是分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中多项式的系数，cX,cY,cZ分别是相位-三维映射函数Xc(φc),Yc(φc),Zc(φc)中的常数项。3.如权利要求1所述的高效相位-三维映射方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：步骤S01，通过射线重投影策略标定出所述双目系统的系统参数；步骤S02，结合所述系统参数，通过采样映射策略标定出相位-三维映射系数，并得到相位-三维映射系数查找表。4.如权利要求3所述的高效相位-三维映射方法，其特征在于，所述步骤S01具体包括：步骤S011，将印有标志点的标靶置于标定空间，利用所述成像装置采集所述标靶的成像装置图像，然后利用投影装置投影正交条纹序列到所述标靶上，利用所述成像装置采集受印有所述标志点的标靶表面调制的正交条纹图；步骤S012，提取所述标志点在所述成像装置图像上像素点的坐标；步骤S013，通过所述正交条纹图计算正交相位，并通过正交相位确定所述标志点在投影装置图像上像素点的坐标；步骤S014，通过反向投影立体视觉模型，结合系统参数确定标志点在成像装置图像上像素点的坐标和投影装置图像上像素点的坐标分别反向投影的空间射线，通过预置的射线重投影策略调整所述系统参数，以所述标志点到所对应的两条空间射线的距离之和最小时的系统参数作为标定出的所述双目系统的系统参数。5.如权利要求3或4所述的高效相位-三维映射方法，其特征在于，所述步骤S02具体包括：步骤S021，利用标定出的系统参数确定成像装置图像上任一像素点的坐标反向投影的空间射线；步骤S022，在标定空间内沿所述空间射线进行采样，得到一系列的空间采样点，将该系列空间采样点分别投影到投影装置图像上，得到对应的相位值；步骤S023，使用该系列采样点分别对应的相位值和该系列采样点的三维坐标拟合出所述任一像素点的相位-三维映射系数；步骤S024，对所述成像装置图像上的每个像素点重复步骤S021-S023，得到每个像素点的相位-三维映射系数，并生成相位-三维映射系数查找表。6.一种基于条纹投影轮廓术的高效相位-三维映射系统，所述条纹投影轮廓术基于双目系统，所述双目系统包括投影装置和成像装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭翔，蔡泽伟，刘晓利，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44