[发明专利]同步色相相移转换方法以及其三维形貌量测系统

说明书

技术领域

本发明是有关一种相移方法与系统，尤其是指一种利用色相信息得到色相相位变化信息进而得到物体表面形貌信息的一种同步色相相移转换方法以及其三维形貌量测方法与系统。

背景技术

目前国内外对于三维量测及重建的研究，主要以光学投影式三维轮廓术为主流，具体又可分为直接三角法及相位量测法，其中直接三角法主要是以三角量测原理为基础，逐点法用光点扫描物体，利用系统的几何三角关系就可以计算深度信息，方法虽然简单，但量测相当耗时。相位量测法是以测量投影到物体上的变形光栅影像的相位为基础，通过相位与高度的映射而求得物体的三维轮廓，虽然在相位与高度的转换过程中可使用三角法原理，但其核心技术为相位的分析与计算，与直接三角法相比较，相位量测能达成全域式量测的目标，量测速度快，精度也较高。

目前常见的相位量测法主要包含傅立叶(Fourier)法与传统相位移法(Phase shifting)两大类。其中，傅立叶法，自傅立叶变换轮廓术(FTP，Fourier Transform Profilometry)产生以来，傅立叶变换轮廓术已得到广泛的应用。相移法在三维轮廓量测中受到广泛的研究及应用。其基本原理为利用投影在物体表面条纹移动的变化来分析及计算相位，得到相位封装图(phase wrapping map)。但因相位被封装在反三角函数中，必须再透过欧拉公式(Euler’s equation)及相位展开(phase unwrapping)求得相对于物体高度的相位信息，并透过相位与高度关系的映对求得物体表面的三维轮廓。此法的优点为量测精度高、速度快以及属于全域式量测。

在习用技术中，如Huang等人在″High-Resolution，Real-time 3D Shape Acquisition，″IEEE Computer Vision and Pattern Recognition Workshop on Real time 3D Sensors and Their Uses，vol.3，pp.28-37，2004中，提出了一种由电脑传送三张不同相位且周期间隔为2π/3的彩色图案至投影机，再经由无色轮的投影机送出其黑白图案至物体表面，由黑白CCD撷取其影像，利用所得的三张影像来作三步相移法，以得到其高度信息。此外亦使用彩色CCD以获取其物体表面颜色信息，利用此两CCD的信息来获得其三维轮廓的信息。

另外，Huang等人在1999年更发表了“Color-encoded digital fringe projection technique for high-speed three-dimensional surface contouring”，Opt.Eng，1065-1071，1999.，其是采用三步相位移法，主要是将三张不同颜色(R、G、B)的影像，利用每一张影像具有120度的相位差，组合到同一张影像上，最后形成一张具有三种不同颜色(红、绿、蓝)的色泽正弦条纹结构光投射在物体表面上，经由彩色CCD取得一张影像后，进行三色分离取得三色的灰阶值并计算相位包装与相位重建，因此将原本须三步相位移的投光时间，缩短成只须一张影像即可达成高速计算三维轮廓。

发明内容

本发明提供一种同步色相相移转换方法，其是利用彩色结构光，将3色CCD所撷取的结构光影像由传统的RGB色彩座标转换至色相饱和强度(hue saturation intensity，HSI)座标的色相(hue)域进行运算处理而转换成色相相位变化信息，降低因物体受测表面不同反射是数变化所引起的光强变化对彩色条纹结构光的影响性，同时本发明是采用同时三步色相相位移法，可达一次取像即时获得其三维轮廓的信息。

本发明提供一种同步色相相移转换方法，其是利用色偏校正的误差补偿以克服因光源产生单元与影像撷取单元的三原色的色彩偏移或频谱相互重叠所可能产生色彩耦合(color coupling)的问题。

本发明提供一同步色相相移转换方法与三维形貌量测系统，其是将具有空间上具相位差的三原色(RGB)光的一彩色条纹结构光，投射至物体上并撷取一具有物体受测表面形貌色相相位信息的彩色条纹结构光影像。如果该物体为的表面颜色为三原色的混色，则在单张条纹影像中即包含有多步相移法的色相相位变化信息。透过演算将该色相相位变化信息转换成物体表面轮廓的信息，进而重建该物体的三维表面形貌。由于只需取得单张取像，因此不但可避免周围环境扰动影响，更可以省略相位封装的时间，增加重建三维轮廓的效率。