[发明专利]一种高频二值条纹的三维扫描方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉与光学三维测量相关领域，特别涉及一种高频二值条纹的三维扫描方法。

背景技术

三维扫描技术发展迅速，目前已应用到了工业检测、设计、动漫及电影特效制作、3D展示、虚拟手术、反求工程等诸多领域和行业。

从现有的三维扫描技术手段来看，以激光三维扫描和投影结构光三维扫描技术为主，激光三维扫描系统通过投射激光线或者点阵，用摄像头捕捉投射的激光特征，通过三角测量恢复三维深度信息，但这种逐点和逐线的扫描方式主要缺点就是速度慢；在基于投影仪的结构光三维扫描系统中，其通过结构光编码技术，实现整个面的一次性测量，具有速度快和精度高的明显优势，因而基于投影的结构光三维扫描技术已成为目前的主流技术手段。

根据专利文献检索，与本发明相关的有专利包括：201010513284.6、201010160681.X、200820089810.9和200910217739.7。201010513284.6是一种三维扫描装置及三维扫描方法，硬件为一字线激光发射模块，速度远低于本专利采用的投影仪。201010160681.X是文物旋转结构光三维数字化建模方法，它使用了双面相机，本发明则采用了单目相机，硬件数目更少。200820089810.9是基于彩色结构光的文物三维重建装置，它使用了红、绿和蓝三基色组成的结构光，本专利则使用了黑白两种颜色的结构光，即使与200910217739.7（一种基于结构光的三维物体表面重建方法）的灰色格雷编码相比，编码算法也更直接。

简而言之，本发明采用了高频二值条纹的结构光图像编码，该编码的特征是高频二值条纹的边缘结构信息，而不是灰度相位信息，扫描过程具有高鲁棒性，并提高了三维扫描的速度。更重要的是，本发明的扫描结果具有高精确度。

发明内容

本发明提出一种高频二值条纹的三维扫描方法，能够鲁棒地完成三维对象的快速扫描。该方法采用高频二值条纹的边缘特征，将编码特征的定位精度提高到了亚像素级别，从而扫描结果具有高精确度。

图1为本发明的实施系统工作示意图，其基本组成部分包括：投影设备、相机、控制模块、数据处理单元，所述控制单元与投影设备及相机相连，相机与数据处理单元连接；

所述投影设备，可以采用DLP,LCOS,LCD等常用投射设备作为结构光系统输出模块；

所述相机，用于投影图案的同步拍摄；

所述控制模块，可以是FPGA或者DSP等控制模块，其承担的主要功能是：将预先存储的二值图案通过视频接口（可以是HDMI,VGA或其他视频接口）输出至投影设备，输出每一帧画面的同时，向相机发送触发信号，由相机同步拍摄投影设备所投射的每一帧图像；

所述数据处理单元，获取来自相机的拍摄图像，通过三维重建软件进行结构光图像的解码和物体三维信息的恢复。

本发明技术方案的详细阐述

首先，采用结构光3D扫描，获取投影仪及相机的内外部参数，进行全局对比度估测，标定的过程与现有的格雷码及正弦结构光系统类似，属于业内常用技术手段，不做详述；

然后，基于高频二值位移条纹边缘特征进行编码，

最后，局部周期混淆的消除和三维重建。

具体包括以下内容：

（1）全局对比度估测

首先投射全白I_w和全黑I_B图案，在相机获取的图像中，通过2张图像差分计算图像整体对比度，得到对比度图像I_C，针对图像I_C并设置2个阈值T1和T2，例如T1=10，则表示全黑和全白图像中，如果某个图像点的灰度变化<10，这有两种可能，其一可能是阴影存在区域，其二可能是表面反射过强造成的高反光区域，则在后续重建中对该区域不予处理，以免引入过多噪声数据；如T2则针对全白图像进行判读，如T2=250，则表示白色图像中如果某图像点亮度超过250，则可能存在高反光，后续解码过程中该区域出现错误的几率很大，因此在后续解码和重建中也不予处理。通过2个阈值的设定，可生成一个二值的模板图像I_T，其中I_T中为1的区域表示曝光和对比度较为良好的区域，为0则表示对比度较低或者存在过曝光的区域，使用该二值模板图像可显著提高后续的图像解码效率，并大大降低解码的错误率；

（2）高频二值条纹局部编码