[发明专利]针对条纹投影三维测量系统离焦现象的相位误差校正方法

说明书

本发明公开了一种针对条纹投影三维测量系统离焦现象的相位误差校正方法，该方法包括首先由计算机生成相移条纹图像，并用相机采集。然后，对于采集到的图像，计算背景图像I'和含误差的相位φ'，并对于背景图I'进行边缘提取。获取边缘图之后计算每个边缘像素的点扩散函数(PSF)。然后在相位图φ'中用梯度滤波和邻域平均法计算每个待处理像素的相位梯度方向和相位密度。最后对于待处理的像素，逐像素计算由相机离焦引起的相位误差Δφ，从而获取最终校正后的相位φ＝φ'‑Δφ。校正后的相位信息可以通过相位‑高度映射关系转化为待测物体的三维信息。

技术领域：

本发明属于计算机视觉中三维重构的领域，具体涉及一种针对条纹投影三维测量系统离焦现象的相位误差校正方法。

背景技术：

基于条纹投影的三维测量技术FPP(fringe projection profilometry)由于其精度高，速度快，受环境光影响较小等优点，近年来受到了广泛的研究和应用。作为一种基于主动光投影的三维测量方法，FPP也有相应的局限性。在主动光投影技术中，常常假定待测物体表面的某一物点仅直接接收来自于投影设备传感器的光照。这个假设在许多实际情况中并不成立。物体上某一物点除了直接接收投影仪某一像素的光照外，还可能接收因互反射，次表面散射和离焦等现象引起的非直接光照。在FPP系统中如果不考虑这些非直接光照，可能会导致较为明显的系统误差。

在实际测量过程中，由于相机镜头的景深十分有限以及物体形貌变化复杂，相机离焦现象十分常见。尤其是当FPP系统测量视场较小时，由于景深限制，相机离焦现象几乎是不可避免的。作为上述非直接光照的一种，相机离焦现象将会在图片中产生局部模糊，从而影响最终应用相移算法解得的相位精度。除了相机离焦现象，局部模糊还会由投影仪离焦和次表面散射两个因素引起。虽然本专利仅针对相机离焦现象提出相位校正算法，但由于次表面散射和相机离焦现象在FPP系统中产生相位误差的机理相似，故本专利的方法也可以一定程度上用于校正次表面散射现象引起的相位误差。另外，一定程度的投影仪离焦现象不会对相位误差产生影响，故不在本专利讨论范围之内。

针对包括相机离焦现象在内的非直接光照对相位的影响，目前绝大部分解决方法是基于高频条纹投影的方法。其原理是当投影的条纹频率很高时，非直接光照引起的误差可以被抵消掉。该类方法可以一定程度地解决非直接光照如互相反射和次表面散射引起的相位误差，但是却对相机离焦现象作用不大。其原因是相机离焦现象产生的模糊往往非常局部，图像中某像素仅接收物体表面很小区域的反射光。在这种情况下，基于高频条纹投影的方法必须要投影频率非常高的条纹图才能有效抑制相机离焦产生的影响。但是工业投影仪无法准确投影条纹宽度非常小的条纹，例如对于常见的投影仪，当投影条纹宽度小于8个像素时，投影仪往往无法准确投射。所以该类方法无法用来解决FPP系统中相机离焦引起的相位误差。

发明内容：

本发明旨在提供一种针对条纹投影三维测量系统离焦现象的相位误差校正方法，先分析出由相机离焦引起的相位误差的解析表达式，然后直接求解该相位误差并对相位进行校正的方法。该方法作为一种数学算法，对测量系统没有额外的硬件需求，也无需投影额外的条纹图，直接利用原始受相机离焦现象影响的条纹图即可完成校正。校正后的相位结合标定参数可以获取高精度的三维重构结果。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种针对条纹投影三维测量系统离焦现象的相位误差校正方法，该方法包括如下步骤：

S1.使用投影仪在物体上投射所需的N幅标准相移正弦条纹图像，对N幅条纹图进行采集；

S2.对于步骤S1中采集得到的条纹图，求解背景图像I',然后用传统相移法求解带有相位误差Δφ(x_c)的相位

S3.对S2中得到的背景图像I'进行边缘提取；

S4.用步骤S3中得到的边缘图像，恢复背景图像I'在离焦之前的清晰背景图像I′_s；