本发明专利技术涉及一种数字散斑投影和相位测量轮廓术相结合的三维数字成像方法，步骤为：（１）向物体投射一幅随机数字散斑图，经左右两个摄像机采集；（２）向物体投射正弦条纹图，并采集相应的编码条纹图；（３）计算编码条纹图的折叠相位值；（４）根据折叠相位值，对左摄像机上的一点Ｐ↓［ｌ］查找右摄像机上的一系列对应点（Ｐ↓［ｒ］１～Ｐ↓［ｒ］ｎ）；（５）根据采集到的数字散斑图，在点Ｐ↓［ｌ］位置处，确定点Ｐ↓［ｌ］在右摄像机上的对应点Ｐ↓［ｒ］；（６）对左右摄像机的所有点都进行（４）、（５）的处理，求取所有的对应点对；（７）将对应点对重建成三维点云数据。本发明专利技术优点是：该方法成像快速、计算量较小、结果准确，适合于对精度和速度要求都较高的在线三维检测、动态三维数据采集领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于三维数字成像及造型技术，主要是一种。
技术介绍
三维数字成像及造型(3DIM-3D Digital Imaging and Modeling)是近年来国际上活跃研究的一个新兴交叉学科领域。它被广泛的应用到反向工程，文物保护，医学诊断，工业检测以及虚拟现实等诸多方面。作为获取三维信息的主要手段之一，基于相位测量轮廓术的三维主动视觉系统具有高精度、分辨率高、非接触、和全场数据获取等优点而受到广泛关注和研究。相位测量轮廓术的基本流程是(1)根据采集到的条纹图，利用相位解调算法，解得条纹图的折叠相位；(2)根据折叠相位，利用相位展开算法，得到条纹图的绝对展开相位；(3)根据左右摄像机的绝对展开相位，利用两摄像机的极线约束关系查找左右摄像机的对应点；(4)根据对应点和三维数字成像系统的标定参数，采用三维重建算法得到空间三维坐标点。左右摄像机对应点对查找的准确度和精确度，决定了相位测量轮廓术的三维重建精度。左摄像机的一点在右摄像机上的对应点是唯一的。而其中绝对展开相位的获取方法是确保左右摄像机对应点查找的准确性的关键。为了获取绝对相位，Huntley等人提出了一系列的时间相位展开算法，通过在时间维投射多种频率的正弦条纹图，对条纹图进行相位解调，得到折叠相位。利用低频相位展开高频相位，最后对高频相位利用极线约束关系查找左右摄像机的对应点。这种算法解相位完全自动化、计算速度快、精度高，缺点在于，需要采集多幅条纹图(一般为12~16幅)，采集速度慢。 Hu等人提出了一种在条纹图的基础上加投一根中心亮线，利用中心亮线确定零级次的条纹位置，然后根据零级次的条纹位置利用空间相位展开算法，从零级次条纹开始依次展开，最后得到条纹的绝对展开相位。这种方法的优点是只需要在正弦条纹的基础上加投一幅图即可获取绝对相位，缺点是只对曲面连续的物体有效，对于含有多个孤立曲面的物体，由于曲面的不连续，不能正确判断条纹级次，导致展开错误。因此这种算法的应用较为有限。 而另外一种三维数字成像技术——数字散斑投影双目立体视觉成像技术，通过投影一幅数字散斑图至物体上，经两个或者多个摄像机采集，利用极线几何约束和图像相关算法，查找对应点，最后根据摄像机的内外参数重建成三维点。具有采集速度快、受环境光影响小的优点，缺点是算法计算量大，数据精确度较低。 近年来，在一些应用领域(例如在线检测、人体数据的三维采集等)对三维成像系统的采集速度、计算速度和数据精度都提出了较高的要求。因此，我们希望三维数字成像系统能够同时满足高采集速度，高计算速度和高数据精度等技术指标。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有方法存在的不足，提供一种同时满足高采集速度，高计算速度和高数据精度等技术指标的稳定的，扩大三维数字成像技术的应用领域。 本专利技术的技术解决方案是这种，具体步骤如下 (1)在测量现场，构建由数字投影仪和两个摄像机组成的三维数字成像传感器，且设备位置相对固定，在传感器的测量范围内放置被测物体，物体需摆放在两个摄像机都可见的位置； (2)顺序操作如下投射，采集过程 a)由计算机生成一幅数字散斑图案，用数字投影仪向被测物体投射，数字散斑图被物体的高度调制发生变形，产生调制后的数字散斑图，两个摄像机采集经物体调制的数字散斑图，并存储到计算机中； b)由计算机生成一幅正弦条纹图案，用数字投影仪向被测物体投射，由于受物体高度变化的影响，条纹图案产生变形；被测物体的高度信息被编码在变形后的正弦条纹图案内，两个摄像机采集编码条纹图，并存储到计算机中； (3)如此，得到了4幅图像，两幅散斑图，两幅编码条纹图，然后对图像进行处理 a)对编码条纹图利用相位解调算法，提取左右摄像机折叠相位图Φl、Φr； b)根据折叠相位值Φl、Φr，利用左右两个摄像机的极线几何约束关系，对左摄像机上的一点Pl查找右摄像机上的一系列对应点(Pr1-Prn)； 对左摄像机上的一点Pl，折叠相位值为Φl(Pl)，在点Pl在右摄像机上的对应极线上查找对应匹配点，右摄像机对应极线上点的折叠相位值为Φr(Pr1)～Φr(PrN)；设定相位差阈值ΔΦ，当(Φr(Pr1)～Φr(PrN))与Φl(Pl)的差值的绝对值小于ΔΦ时，则可以确定左摄像机上的点Pl在右摄像机上的一系列对应匹配点(Pr1～Prn)； c)根据采集到的数字散斑图，在点Pl位置处，以点Pl为中心取一设定大小(5×5～11×11)的矩形子图，分别以右摄像机对应点(Pr1～PRn)为中心，取同样大小的矩形子图，计算左右摄像机子图间的相关系数(Corr_1～Corr_n)，比较相关系数大小，相关系数最大值为Corr_max；设定相关系数阈值T，如果Corr_max大于T，则可以确定左摄像机上的点Pl在右摄像机上的唯一对应匹配点Pr； d)对左右摄像机所有的图像点，进行(a)、(b)、(c)的处理，得到全部的对应点对； (4)三维数字成像系统的标定参数，将对应点对重建成三维点云数据。 作为优选，提取左右摄像机折叠相位图Φl、Φr具体步骤如下 (1)、计算机产生正弦条纹案，传输给数字投影仪，数字投影仪将正弦条纹投射至样品表面并经过样品表面高度编码变形以后，被摄像机采集到的编码条纹光强分布表示为 在(1)式中，I(x，y)为记录到的物面光强分布，a(x，y)为背景光强分布，b(x，y)为条纹的局部对比度，f0为载波频率， 是相位因子； (2)、对式(1)进行傅立叶变换，在频谱±f0处得到带有信号 信息的频谱，经过带通滤波得到+1或者-1级频谱，并将其进行逆傅立叶变换既可得到 信息；具体计算过程如下 由欧拉公式可以将式(1)重新写成 g(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(i2πf0x)+c*(x，y)exp(-i2πf0x)(2) 其中， (3)、经过傅立叶变换、滤波取+1级频谱，进行逆傅立叶变换运算后可以得到c(x，y)，结合欧拉公式，折叠相位 可以求得 (4)、根据相位解调算法，得到左右摄像机的折叠相位图Φl、Φr。 作为优选，所述基于极线几何约束和折叠相位的对应点查找具体步骤为 (1)、当两个摄像机同时对物体拍摄时，获得左右摄像机图像Il和Ir，如果ml和mr是空间一点M在两图像上的投影点，称ml和mr为对应点；令Cl和Cr分别是两个摄像机的光心，点mr在线lr上，称lr为在图像Ir上对应于点ml(位于图像Il上)的极线；令(Rt)为第二个摄像机相对于第一摄像机的位置变换，Kl，Kr分别为两摄像机的内参矩阵，R，Kl，Kr是3×3的矩阵，t是3×1的矩阵，由针孔模型推出 公式(4)称为极线方程， 和 是对应点ml和mr的齐次表示，ml的极线lr表示为左摄像机上的一点ml在右摄像机上的对应点mr必然在ml右摄像机上对应的极线lr上； (2)、通过两个摄像机的内部参数Kl，Kr、两个摄像机的相对姿态位置R，t和左右摄像机的折叠相位Φl、Φr，利用极线几何约束确定左右摄像机的对应点； (3)、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种数字散斑投影和相位测量轮廓术相结合的三维数字成像方法，其特征在于：该方法具体步骤如下： （１）在测量现场，构建由数字投影仪和两个摄像机组成的三维数字成像传感器，且设备位置相对固定，在传感器的测量范围内放置被测物体，物体需摆放在两个 摄像机都可见的位置； （２）顺序操作如下投射，采集过程： ａ）由计算机生成一幅数字散斑图案，用数字投影仪向被测物体投射，数字散斑图被物体的高度调制发生变形，产生调制后的数字散斑图，两个摄像机采集经物体调制的数字散斑图，并存储到计 算机中； ｂ）由计算机生成一幅正弦条纹图案，用数字投影仪向被测物体投射，由于受物体高度变化的影响，条纹图案产生变形；被测物体的高度信息被编码在变形后的正弦条纹图案内，两个摄像机采集编码条纹图，并存储到计算机中； （３）如此，得到 了４幅图像，两幅散斑图，两幅编码条纹图，然后对图像进行处理： ａ）对编码条纹图利用相位解调算法，提取左右摄像机折叠相位图Ф↓［ｌ］、Ф↓［ｒ］； ｂ）根据折叠相位值Ф↓［ｌ］、Ф↓［ｒ］，利用左右两个摄像机的极线几何约束关系，对 左摄像机上的一点Ｐ↓［ｌ］查找右摄像机上的一系列对应点（Ｐ↓［ｒ］１～Ｐ↓［ｒ］ｎ）；对左摄像机上的一点Ｐ↓［ｌ］，折叠相位值为Ф↓［ｌ］（Ｐ↓［ｌ］），在点Ｐ↓［ｌ］在右摄像机上的对应极线上查找对应匹配点，右摄像机对应极线上点的折叠相位值为Ф↓［ｒ］（Ｐ↓［ｒ］１）～Ф↓［ｒ］（Ｐ↓［ｒ］Ｎ）；设定相位差阈值ΔΦ，当（Ф↓［ｒ］（Ｐ↓［ｒ］１）～Ф↓［ｒ］（Ｐ↓［ｒ］Ｎ））与Ф↓［ｌ］（Ｐ↓［ｌ］）的差值的绝对值小于ΔΦ时，则可以确定左摄像机上的点Ｐ↓［ｌ］在右摄像机上的一系列对应匹配点（Ｐ↓［ｒ］１～Ｐ↓［ｒ］ｎ）； ｃ）根据采集到的数字散斑图，在点Ｐ↓［ｌ］位置处，以点Ｐ↓［ｌ］为中心取一设定大小（５×５～１１×１１）的矩形子图，分别以右摄像机对应点（Ｐ↓［ｒ］１～Ｐ↓［Ｒ］ｎ）为中心，取同样大小的 矩形子图，计算左右摄像机子图间的相关系数（Ｃｏｒｒ＿１～Ｃｏｒｒ＿ｎ），比较相关系数大小，相关系数最大值为Ｃｏｒｒ＿ｍａｘ；设定相关系数阈值Ｔ，如果Ｃｏｒｒ＿ｍａｘ大于Ｔ，则确定左摄像机上的点Ｐ↓［ｌ］在右摄像机上的唯一对应匹配点Ｐ↓［ｒ］； ｄ）对左右摄像机所有的图像点，进行（ａ）、（ｂ）、（ｃ）的处理，得到全部的对应点对； （４）三维数字成像系统的标定参数，将...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周劲，赵晓波，
申请(专利权)人：杭州先临三维科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]
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