用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性制造技术

本发明专利技术提出了一种用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性

【技术实现步骤摘要】
用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性Gamma矫正方法


[0001]本专利技术涉及通用光学三维测量领域，尤其涉及用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法
。

技术介绍

[0002]条纹投影轮廓测量术
(FPP)
中使用的商用投影仪通常是适应人类视觉的非线性设备，直接投射正弦条纹会产生非线性
Gamma
失真，导致正弦条纹非正弦化，无法满足高精度三维
(3D)
测量所需的理想正弦条纹图像
。
众所周知，如果
FPP
方法使用单个投影仪和单个相机进行
3D
测量，则测量结果的精度很大程度上依赖于恢复的相位质量
。
这是因为这种光学
3D
测量系统直接利用相位恢复
3D
数据，任何相位噪声或失真最终都将反映在测量结果上
。
在各种主要误差源中，市售投影仪输入图像的非线性响应是需要处理的一个关键误差源，通常是指非线性
Gamma
效应
。
一般而言，使用更多相移条纹图像进行测量可以减少一些高次谐波，从而提高
3D
测量质量
。
但是，使用更多的条纹图像会影响测量速度，这在高速测量应用领域来说是不可取的
。
[0003]为了降低非线性
Gamma
效应带来的影响，有研究者提出了使用二进制离焦技术实现高质量正弦条纹投影测量
。/>二进制离焦条纹投影测量偏离光学基本原理，特地模糊投影图像，而不是聚焦投影图像
。
投影方波二进制图像时，随着离焦量的增加，二进制特征将变得越来越不显著；当投影仪离焦到一定量时，将产生高质量的正弦条纹图像
。
但是，如果投影仪离焦量太大，将导致二进制结构混合在一起，则会没有明显的正弦结构存在
。
为了解决该问题，达到对投影仪轻微离焦即可得到高质量正弦条纹图像的目的，调制方波二进制条纹图像可能是唯一的选择
。FPP
的正弦条纹图像仅在一个维度方向上发生变化，可以通过改进方波二进制条纹图像以优化方波，使得其通过低通滤波
(
即离焦
)
更容易生成高质量正弦条纹图像
。
[0004]虽然
PWM
技术提高了相位质量，但本质上只是在一个维度
(x
或
y
方向
)
上改进条纹图像，所以当条纹过宽时
PWM
类方法无法生成高质量的条纹
。
因此，在两个维度
(x
和
y
方向
)
上同时改进图像可以产生更好的正弦条纹图像
。
二维抖动技术大大扩展了二进制离焦投影测量技术的能力，即便投影仪离焦不明显时也可以产生大宽度范围的条纹，扩展了测量深度范围，实现了实质性的改进
。
然而，由于几乎所有经典的二进制抖动方法均为表示任意图像而设计，所以它们忽略了正弦条纹图像所体现的独特正弦周期结构
。
因此，直接应用这些二维抖动算法可能无法产生最佳质量的正弦条纹图像
。
[0005]一维或二维的二进制离焦技术虽然一定程度上可以减少系统非线性
Gamma
效应并生成正弦条纹图像
。
然而，它们具有信噪比相对较低
、
难以合理准确量化离焦的缺点，并且难以标定过度离焦的光学测量系统
。
大多数最先进的研究都侧重于通过不同算法从捕获的条纹图像估计系统相位误差，然后被动地在相位域补偿相位误差
。
有些方法则是直接标定投影仪获得
FPP
系统的非线性
Gamma
响应系数，然后通过系数在投影之前主动修改正弦条纹图像
。
主动投影误差补偿和被动相位误差补偿都可以显著降低由测量系统的非线性
Gamma
效应引起的相位误差
。
被动相位误差补偿方法对测量条件比较敏感，对离焦尤其敏感，所以在相位域中被动相位误差补偿比在投影之前主动修改正弦条纹图像更困难
。

技术实现思路

[0006]针对现有矫正方法存在相位误差且对离焦敏感的技术问题，本专利技术提出用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，可显著抑制系统的非线性
Gamma
效应对测量精度的影响，相位误差且对离焦敏感
。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，包括以下步骤：
[0008]S1
：利用投影仪与相机标定光学测量系统的非线性
Gamma
逆响应模型；
[0009]S2
：通过非线性
Gamma
逆响应模型生成主动投影预矫正正弦条纹图像
I
d
；
[0010]S3
：利用投影仪依次聚焦投影步骤
S2
中生成的预矫正正弦条纹图像
I
d
，利用相机捕获图像进行三维重构
。
[0011]步骤
S1
所述的标定光学测量系统的非线性
Gamma
逆响应模型的方法为：
[0012]S11
：调整投影仪与相机均保持聚焦在标定板上，利用投影仪投射一系列灰度值递增变化的均匀灰度图像
I
i
，并利用相机捕获对应灰度图像
I
o
；
[0013]S12
：以相机捕获对应灰度图像
I
o
为
X
轴，以投影仪投射的灰度图像
I
i
为
Y
轴，利用公式
(1)
拟合计算多项式系数
a
k
，计算光学测量系统的非线性响应：
[0014]I
i
＝
a0+a1(I
o
)+a2(I
o
)2+
…
+a5(I
o
)5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]其中，
a
k
是待标定的5阶多项式系数，
k
＝
1,2,3,4,5
；
[0016]S13
：利用多项式系数
a
k
建立光学测量系统非线性
Gamma
逆响应模型：
[0017]P
‑1(I
o
)
＝
I
i
＝
a0+a1(I
o
)+a2(I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：利用投影仪与相机标定光学测量系统的非线性
Gamma
逆响应模型；
S2
：通过非线性
Gamma
逆响应模型生成主动投影预矫正正弦条纹图像
I
d
；
S3
：利用投影仪依次聚焦投影步骤
S2
中生成的预矫正正弦条纹图像
I
d
，利用相机捕获图像进行三维重构
。2.
根据权利要求1所述的用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，其特征在于，步骤
S1
所述的标定光学测量系统的非线性
Gamma
逆响应模型的方法为：
S11
：调整投影仪与相机均保持聚焦在标定板上，利用投影仪投射一系列灰度值递增变化的均匀灰度图像
I
i
，并利用相机捕获对应灰度图像
I
o
；
S12
：以相机捕获对应灰度图像
I
o
为
X
轴，以投影仪投射的灰度图像
I
i
为
Y
轴，利用公式
(1)
拟合计算多项式系数
a
k
，计算光学测量系统的非线性响应：
I
i
＝
a0+a1(I
o
)+a2(I
o
)2+
…
+a5(I
o
)5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，
a
k
是待标定的5阶多项式系数，
k
＝
1,2,3,4,5
；
S13
：利用多项式系数
a
k
建立光学测量系统非线性
Gamma
逆响应模型：
P
‑1(I
o
)
＝
I
i
＝
a0+a1(I
o
)+a2(I
o
)2+
…
+a5(I
o
)5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。3.
根据权利要求2所述的用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，其特征在于，步骤
S11
所述利用投影仪投射一系列灰度值递增变化的均匀灰度图像
I
i
，并利用相机捕获对应灰度图像
I
o
的方法为：利用投影仪投射以5的增量投影标定数据的灰度范围内的一系列均匀灰度图像到标定板，利用相机对标定板上均匀灰度图像进行拍摄并导入计算机处理，获得对应灰度图像
I
o
。4.
根据权利要求3所述的用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性
Gamma
矫正方法，其特征在于，所述标定数据的灰度范围为
20
‑
255。5.
根据权利要求4所述的用于条纹投影轮廓术的主动投影非线性<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霖，王玮，柴志鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：