【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种阶跃边缘高精度三维重构的实现方法，将优化的基于投影重构的并行单像素成像方法应用于阶跃边缘的三维测量中，极大地提升了阶跃边缘的三维测量精度，同时保证了一定的测量效率。本专利技术属于光学测量与计算机视觉领域。
技术介绍
1、阶跃边缘是工业零件三维形貌的一个基础几何特征，以台阶、孔、棱等形式广泛存在。能否完整并精确对阶跃边缘进行三维重构直接影响待测件表面几何尺寸的测量精度。基于视觉的结构光三维测量方法因其非接触式、高精度和灵活性等特点，在工业制造中得到了广泛的研究和应用。结构光系统模型通常由相机和投影仪组成，可以实现基于相位的条纹投影轮廓术(fpp，fringe pattern projection)。然而对于三角相机-投影仪系统，由于相机视角的遮挡，在阶跃边缘突变的不连续处出现相位混叠现象，从而导致相位误差，重构出错误的三维点，严重影响测量精度。
2、与fpp方法不同，现有的并行单像素成像(psi，parallel single-pixel imaging)方法，虽然同样建立在三角相机-投影仪系统上，但是不依赖相位特征建立相机与投影仪的映射关系。psi方法采集投影仪视角下的二维光传输系数图像，可以实现复杂光照的分解，进一步可以应用于阶跃边缘光线混叠问题。然而，psi方法需要投射大量条纹图像，效率较低。基于投影重构的并行单像素成像(ppsi，projective parallel single-pixelimaging)方法将二维光传输系数图像的采集转换为一维投影函数的采集，在保证高精度的同时提升了测量效
技术实现思路
1、本专利技术提出一种阶跃边缘高精度三维重构方法，建立阶跃边缘光线混叠误差模型，优化基于投影重构的并行单像素成像(ppsi)方法，提出自适应双方向投影策略和边缘提取算法，有效平衡了阶跃边缘测量精度和测量效率。该方法的主要实施流程见图1。
2、本专利技术的基本原理是建立在三角相机-投影仪系统的阶跃边缘光线混叠误差模型的基础上的，利用并行单像素可有效分离复杂光照的自然特性，投射自适应双方向条纹图案模式，通过相机拍摄待测件调制后的图像，选取部分频率的图像进行包裹相位计算进而实现边缘提取，对提取的边缘掩模的每一个像素同时采用基于投影重构的并行单像素成像算法，得到像素传输图像并定位直接匹配点，从而实现阶跃边缘的高精度三维重构。
3、本专利技术的技术解决方案为：首先对相机-投影仪系统进行标定并计算极线方程，根据光斑分离度条件和极线倾斜角判断生成45°方向或135°方向投影条纹图案；投影仪对待测件依次投射0°方向竖条纹和上述优选方向条纹，相机同步采集；选择部分空间频率条纹计算包裹相位图，使用canny算子提取边缘，利用两个方向的边缘结果合成边缘掩模；根据粗细定位条纹计算一维投影函数，进一步得到投影线的交点，通过极线距离阈值筛选出两个分别来自阶跃边缘上下表面的直接匹配点；根据标定参数和三角法进行三维坐标计算。其三维重构过程主要包含以下步骤：
4、(1)先将投影仪和相机面向被测物水平放置且呈三角结构，投影仪的投射区域应与相机视场有重合的区域；
5、(2)利用投影仪向构成阶跃边缘的场景投射一系列粗细定位的周期延拓相移条纹图案，并通过相机同步采集；
6、(3)根据采集到的编码场景图像，计算包裹相位图，基于包裹相位图进行边缘提取，生成边缘掩模；
7、(4)对每个边缘像素执行基于投影重构的并行单像素成像算法，实现阶跃边缘像素光线混叠的分解，利用极线约束筛选出阶跃边缘上下表面的两个直接匹配点，非阶跃边缘像素则对应一个直接匹配点；
8、(5)根据标定参数和匹配点坐标计算三维坐标。
9、所述步骤(1)中被测物在相机视线的遮挡下构成阶跃边缘处的光线混叠现象，构建阶跃边缘光线混叠误差模型，从相机视角出发，阶跃边缘像素同时接收到来自上表面和下表面的直接反射光，造成光线混叠，进而导致相位混叠，出现相位误差，测量失效，从投影仪视角出发，上下表面的反射光由不同的投影仪微镜发出，在空间中自然分离。
10、所述步骤(2)中的粗细定位的周期延拓相移条纹图案，满足自适应双方向投影策略。该策略通过光斑分离度指标优选条纹投影方向，使其满足局部极大约束模型，以获取精确的亚像素匹配坐标。
11、光斑分离度定义如下：
12、
13、其中，dθ＝|c1-c2θ,d＝max(d1,d2)，dθ表示两个直接光斑中心在投影方向上坐标差值的绝对值，d表示两个直接光斑中较大的直径值。因此，光斑分离度描述两个光斑在给定投影方向上的分离效果，当时，两个光斑的分离度较大，其在投影函数中对应两个极大值，此时满足局部极大约束模型；相反，当时，两个光斑的分离度较小，其光斑能量发生混叠，此时不满足局部极大约束模型。
14、任意方向粗定位正弦基图案模式生成公式为：
15、
16、其中，(u′,v′)表示投影仪像素坐标，i＝0,1,...,n-1(n≥3)表示相移步数，a和b分别是条纹图案的直流分量和调制度，k表示离散空间频率，取值为k＝0,1,...,k-1，且k≤lθ′，lθ′是投影仪沿着投影方向θ的等效分辨率。
17、任意方向的细定位正弦基图案模式生成公式为：
18、
19、其中，kθ是局部周期延拓下的离散空间频率，取值为kθ＝0,1,...,kθ-1，且kθ≤uθ′，uθ′表示等效投影接收域的大小。
20、根据系统标定参数计算极线方程，通过极线和投影函数的倾斜角位置关系，结合光斑分离度判定条件优选双方向条纹。
21、所述步骤(3)中的边缘检测技术为，选取部分空间频率的细定位相移条纹，计算包裹相位图，首先基于包裹相位图对边缘进行粗提取，由于阶跃边缘处的不连续性，导致包裹相位图中阶跃边缘发生相位突变且不同空间频率中的相位突变位置不变，利用这一特性通过逻辑算子得到最终的边缘掩模图像。
22、所述步骤(4)中基于投影重构的并行单像素成像算法获取阶跃边缘上下表面的两个直接匹配点。首先对采集到的图像计算傅里叶系数：
23、
24、其中，j表示虚数单位。进一步对该式执行一维傅里叶逆变换可得到一维投影函数：
25、f(ρ,θ)＝f-1[f(k,θ)].
26、粗细定位分别计算得到投影函数后仅保留粗定位区域的细定位结果得到最终的投影函数。根据投影函数计算投影线，两个方向投影线的交点即为候选匹配点，通过极线距离约束进行筛选出距离极线最近的两个匹配点作为参与三维重构的直接匹配点，约束条件如下：
27、
28、s.t.d′≤ε.
29、其中，分别表示某阶跃边缘像素对应的投影仪直接匹配点，di′表示所有候选匹配点到极线的距离，dj′筛选出第一个直本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高精度阶跃边缘三维重构系统及方法，其特征在于：阶跃边缘三维重构过程包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中被测物在相机视线的遮挡下构成阶跃边缘处的光线混叠现象，构建阶跃边缘光线混叠误差模型，从相机视角出发，阶跃边缘像素同时接收到来自上表面和下表面的直接反射光，造成光线混叠，进而导致相位混叠，出现相位误差，测量失效，从投影仪视角出发，上下表面的反射光由不同的投影仪微镜发出，在空间中自然分离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的粗细定位的周期延拓相移条纹图案，满足自适应双方向投影策略。该策略通过光斑分离度指标优选条纹投影方向，使其满足局部极大约束模型，以获取精确的亚像素匹配坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的边缘检测技术为，选取部分空间频率的细定位相移条纹，计算包裹相位图，首先基于包裹相位图对边缘进行粗提取，由于阶跃边缘处的不连续性，导致包裹相位图中阶跃边缘发生相位突变且不同空间频率中的相位突变位置不变，利用这一特性通过逻辑算子得到最终的边缘掩模图像
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中基于投影重构的并行单像素成像算法获取阶跃边缘上下表面的两个直接匹配点。首先对采集到的图像计算傅里叶系数：
...【技术特征摘要】
1.一种高精度阶跃边缘三维重构系统及方法，其特征在于：阶跃边缘三维重构过程包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中被测物在相机视线的遮挡下构成阶跃边缘处的光线混叠现象，构建阶跃边缘光线混叠误差模型，从相机视角出发，阶跃边缘像素同时接收到来自上表面和下表面的直接反射光，造成光线混叠，进而导致相位混叠，出现相位误差，测量失效，从投影仪视角出发，上下表面的反射光由不同的投影仪微镜发出，在空间中自然分离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的粗细定位的周期延拓相移条纹图案，满足自适应双方向投影策略。该策略通...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧洁，王璐，姜宏志，李旭东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。