本发明专利技术公开了一种利用复合编码实现多分辨三维数字成像的方法，即，基于点阵投影和条纹投影相结合的三维数字化技术。该方法采用数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的成像装置。以发射器出瞳、图像传感接收器入瞳与形成三角测量系统；首先，利用点阵投影三维数字成像没有相位模糊的特点，以点阵编码获取物体的较低分辨率的三维深度像，再投射条纹到物体表面，利用空间相位调制精度高的特点，结合已经获得的物体低分辨深度像进行相位展开，进一步获取被测物体更精细的多分辨三维数字像。本发明专利技术结合了点阵投影和条纹投影两种不同编码方式的三维数字成像方法的优点，三维数字成像精度高，对拓扑复杂的曲面有较强的普适性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于三维数字成像技术。
技术介绍
在基于三角法的主动三维传感技术中，以传统的三角测量为基础，由于三维物体表面形状对结构照明光束产生的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在探测器阵列上的位置，通过对成像光点位置的确定和系统光路的几何参数，计算出距离。现有的技术包括采用单光束点结构照明的方法和采用片状光束的线结构照明的方法，以及相位测量轮廓术，包括相移轮廓术、Fourier变换轮廓术和空间相位探测轮廓术。相位测量轮廓术也最终归结为三角测量法，只不过在不同的测量技术中采用不同的方式来从观测光场中提取三角计算中所需要的几何参数。基于空间点阵投影的方法是通过投射二维空间点阵到被测物体上，形成面结构光的照明，一次成像即可获得一个完整的被测物体的三维数字像，从而克服了现有三角法的主动三维传感技术中的单光束点结构照明和片状光束的线结构照明必须逐点或逐行扫描才能获得完整的三维数字像的缺点，提高了采样效率。与相位测量轮廓术比较，点阵编码方法是直接通过对成像点阵的位置确定来计算物体的深度，不存在相位模糊和误差传播的问题。但这一传感技术的精度直接收到成像光点位置测量精度的影响，探测器灵敏度和成像系统的几何畸变都会影响其测量精度，因此，其测量精度不如相位测量轮廓术。相位测量轮廓术采用条纹图编码，物体的深度信息编码在载波条纹中，通过计算折叠相位和相位展开，结合光学系统的结构参数间接获得物体的深度像。与直接几何量测量相比较，相位测量轮廓术具有更高的精度，最高可以达到百分之一个条纹周期；另外相位测量的方法对背景、对比度和噪声的变化不敏感。但对于被测物体存在不连续区域或表面梯度变化很大或存在信息盲区时，相位测量轮廓术的相位展开变成非常困难的问题，例如会产生相位模糊和误差传播，造成三维数据残缺不全，得不到完整三维数据。可对比的技术文献有下以三篇(1)专利技术专利ZL 02131096.3. (2)Richard McBain，″high speed laser triangulation measurements of shape and thickness″，US Patent 6,466,305. (3)ul R，Yoder JR.，″topography measuring apparatus″，US Patent 4,902,123.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用复合编码实现多分辨三维数字成像的方法，该方法提高了测量结果的置信度和高的测量精度。本专利技术是通过下述技术方案加以实现的，采用包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器的成像装置，利用点阵编码和条纹编码实现多分辨三维数字成像的方法，其特征在于包括以下过程1、数字投影照明发射器投射不同疏密程度的二维点阵图形照明物体，偏转图像传感接收器使其光轴与投影点阵照明场的中心位于同一直线。数字投影照明发射器的出瞳、图像传感接收器的入瞳和照明场的中心构成一个三角形，以数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳之间的连线为基线，它和投射在物体的所有点阵的中心构成了若干三角形，形成了三角测量系统；根据仿射变换的原理，分别投影在参考平面和被测物体表面的编码点阵，经过坐标旋转、平移和透视投影变换，可分别得到参考平面和被测物体表面上的编码点阵在图像接收传感器平面上的空间坐标的解析式，并可进一步得到参考平面和被测物体表面上两个点阵相对应点之间在成像平面x方向上的位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系；从而数字投影照明发射器投射二维空间点阵结构光照明，在图像接收传感器得到参考平面的点阵图像和投射在被测物体表面上的点阵图像，椐已知系统光路几何参数，图像处理器可计算点阵图像相应点之间在x方向上的位置差，再根据位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系计算出物体的深度图像。2、数字投影照明发射器再投射条纹结构光照射被测物体表面，所投射的条纹结构光可以是单一频率条纹，也可以是时序变频条纹序列。对于单一频率条纹结构光，用相位映射的方法，结合点阵投影已经获得的物体较低分辨率的深度像进行相位展开，进一步获取更精细的多分辨三维数字像。对于时序变频条纹序列结构光投影，分别得到编码的条纹强度分布图序列，利用“相移算法”计算出各频率条纹强度分布图的相位图，在每个相位图中消除2π不确定性，从而对景物得到分辨率依次递进的深度像；此时点阵投影的作用是利用它获得的物体深度值确定变频条纹序列的边界条件，有效地节省相位展开过程中所需的二维编码条纹图，增加了相位展开算法的实时性；进一步获取精度更高、更精细物体多分辨三维数字像。点阵编码是一种基于仿射变换的三维数字化技术，条纹编码是一种相位映射的三维数字化技术，二者结合是一种复合编码的技术，点阵编码获取的三维深度像值可以在一个“较粗”的轮廓上确定物体深度，并可由此确定相位映射中相位的绝对分布，解决相位模糊的问题；并且，当由于存在照明盲区和成像盲区时，由于点阵投影是根据参考平面和物体表面点阵图像构成的“点阵对”位置差来计算物体深度值，“点阵对”之间是相互独立的，虽然投影在信息盲区中的点由于不能形成“点对”而得不到信息盲区中离散点处的深度值，但它不会影响周围区域，不会造成误差传播，仍然可以得到一个近似的三维深度像；而基于条纹投影的相位轮廓术，不仅这些盲区得不到正确相位值，而且造成误差的传播，严重影响相邻区域的相位展开，无法得到被测物体的三维深度像。下面结合附图对基于点阵投影三维数字成像的技术方案作进一步的详细描述点阵投影三维数字成像技术是在仿射变换基础上建立起来的一种三维数字化技术。图1是投影在参考平面上点阵成像的结构示意图。点P是数字投影照明发射器的出瞳，Po为投影光轴，投影光线PP1、PP2和PP3与参考平面R的交点确定了投射的二维空间点阵在参考平面上的位置。点I是图像传感接收器的入瞳，Io为成像光轴，它与投影光轴的夹角为α，Ip是图像传感接收器平面相对于点I的对称平面，根据透视投影的原理，点阵在图像传感接收器上成像的位置可以通过计算成像光线与平面Ip的交点的位置得到。点阵投影成像系统中，投射在参考平面上的点阵的成像过程可以分为三个步骤首先，把物坐标系xyz绕y轴正向旋转α角，变换为坐标系x′y′z′，使新坐标系的z′o′轴与成像光轴Io重合；然后，把坐标系x′y′z′沿z′轴负向平移L，使图像传感接收器的入瞳I为坐标原点，变换后的坐标系为xpypzp；最后，在坐标系xpypzp下做透视投影，透视投影平面Ip与zp轴垂直，在距原点F(焦距)的位置上，它与图像传感接收器平面相对于xpopyp对称。那么，经过上述步骤一和二后，可得到参考平面R(z＝0)在xpypzp坐标系下的坐标可表示为xs=kxΔxcosαys=yzs=L-ksΔxsinα---(1)]]>其中α为投影光轴Po和成像光轴Io之间的夹角；L为图像传感接收器的入瞳I与照明场的中心o之间的距离；Δx为投影在参考平面R上的点阵沿x方向的间距；kx取整数，为Δx所乘系数，用来表示不同点在物坐标系下的x坐标值。然后在坐标系xpypzp下做透视投影，即可确定该点阵在平面Ip上的位置 x本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合编码多分辨三维数字成像方法，采用包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器的成像装置，利用点阵编码和条纹编码实现多分辨三维数字成像，其特征在于包括以下过程：１）数字投影照明发射器投射不同疏密程度的二维点阵图形照明物体 ，偏转图像传感接收器使其光轴与投影点阵照明场的中心位于同一直线。数字投影照明发射器的出瞳、图像传感接收器的入瞳和照明场的中心构成一个三角形，以数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳之间的连线为基线，它和投射在物体的所有点阵的中心构成了若干三角形，形成了三角测量系统；根据仿射变换的原理，分别投影在参考平面和被测物体表面的编码点阵，经过坐标旋转、平移和透视投影变换，可分别得到参考平面和被测物体表面上的编码点阵在图像接收传感器平面上的空间坐标的解析式，并可进一步得到参考平面和被测物体表面上两个点阵相对应点之间在成像平面ｘ方向上的位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系；从而数字投影照明发射器投射二维空间点阵结构光照明，在图像接收传感器得到参考平面的点阵图像和投射在被测物体表面上的点阵图像，根已知系统光路几何参数，图像处理器可计算点阵图像相应点之间在ｘ方向上的位置差，再根据位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系计算出物体的深度图像；２）数字投影照明发射器再投射条纹结构光照射被测物体表面，所投射的条纹结构光可以是单一频率条纹，也可以是 时序变频条纹序列；对于单一频率条纹结构光，用相位映射的方法，结合点阵投影已经获得的物体较低分辨率的深度像进行相位展开，进一步获取更精细的多分辨三维数字像；对于时序变频条纹序列结构光投影，分别得到编码的条纹强度分布图序列，利用“相移算法”计算出各频率条纹强度分布图的相位图，在每个相位图中消除２π不确定性，从而对景物得到分辨率依次递进的深度像；此时点阵投影的作用是利用它获得的物体深度值确定变频条纹序列的边界条件，有效地节省相位展开过程中所需的二维编码条纹图，增加了相位展开算法的实时性；进一步获取精度更高、更精细物体多分辨三维数字像。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：彭翔，田劲东，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]
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