[发明专利]一种高精度多波长三维测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度多波长三维重建方法，更具体的说，本发明所提供的三维重建方法，可以高精度的实现复杂场景中物体的三维重建。

背景技术

三维重建方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照成像照明方式的不同，光学三维测量技术可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。在主动三维测量技术中，结构光三维测量技术发展最为迅速，尤其是相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，PMP)，也被称为相移测量轮廓术(Phase Shifting Profilometry，PSP)，是目前三维测量产品中常用的测量方法。相位测量方法是向被测物体上投射固定周期的按照三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最终完成一个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。由于目前采集到的图像的幅面较大，为了提高相位精度，需要向被测物体投射多个周期的相位图，因此，在一副图像中，相同相位值会出现多次。为了在图像中获得唯一的相位值，格雷码方法是常用的辅助解相方法。目前出现的三维测量产品，普遍采用格雷码加相移的光学投射方法，如德国GOM公司的Atos-I型结构光三维测量系统、德国Steinbichler公司的COMMET系列结构光三维测量系统、德国Breuckmann公司的optoTOP系列结构光三维测量系统、北京天远三维科技有限公司的OKIO-II型三维扫描仪、上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪、天津世纪动力光电科学仪器有限公司的CPOS三维扫描仪等。由于格雷码的编码方法主要靠图像的二值化来进行编码，因此对于复杂场景中的物体以及物体表面颜色变化较多的情况，一般需要喷涂显影剂才能实现较好的测量效果。

外差多频方法是暨格雷码方法之后提出的一种改进的三维重建方法，可以避免格雷码仅仅使用二值化来进行阈值分割的情况。外差多频的原理是利用三种不同波长的相移光栅，两两叠加出一种更长波形的光栅，再利用两个叠加后的光栅，最终叠加出全场唯一的相位。该方法由于需要进行三次叠加运算，如果背景复杂的情况下，叠加的相位存在很大的误差，大大影响测量效果。因此，外差多频方法虽然比格雷码方法具有一定的优越性，但是在环境光较弱的情况下，会产生很多测量噪声，三维重建效果较差，因此外差多频方法仍然不能解决复杂场景情况下的高精度三维重建难题。

为了解决复杂场景以及无法喷涂显影剂的三维重建难题，本发明设计了一种新的三维重建方法，无需喷涂显影剂，就可以高精度的恢复复杂环境以及颜色变化较多的物体的三维形貌。

发明内容

本发明提供一种基于相移光栅的多波长三维重建方法，该方法能够应用于高精度三维测量中，可以弥补格雷码和外差多频方法在三维重建过程中存在的缺陷。

所述的多波长三维重建系统的硬件系统包括：

用于投射光信号的光源投射装置，光源投射装置的分辨率为L_R×L_C；

用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；

用于采集图像的彩色摄像机，图像分辨率为C_R×C_C，相机个数为1-2个；

用于放置所述的光源投射装置和所述的彩色摄像机的扫描平台；

本发明所设计的三维重建方法，具体操作步骤如下：

步骤1：对于分辨率为L_R×L_C的光源投射装置，选择n个波长进行正弦或者余弦光信号的投射，如果相移光栅的投射方向为纵向，则所选的波长中的第一个波长的长度λ₁＝L_R；如果相移光栅的投射方向为横向，则所选的波长中的第一个波长的长度为λ₁＝L_C；第二个波长的长度为第一个波长长度的1/2，即：λ₂＝λ₁/2，第三个波长的长度为第二个波长长度的1/2，即：λ₃＝λ₂/2，依次类推，直到第n个波长的长度λ_n落入最佳三维重建波长范围，即15≤λ_n≤30；