[发明专利]一种基于结构光系统几何约束的相位展开方法

说明书

本发明涉及一种基于结构光系统几何约束的相位展开方法，其首先建立结构光三维测量系统，并对该系统进行标定以确定摄像机与投影仪的投影参数矩阵；接着由投射到被测目标上的结构光获取包裹相位；然后给定最近深度平面，根据结构光系统的几何约束建立由摄像机传感器到投影仪传感器间的映射关系，依照此映射关系确定出最小虚拟相位图；最后根据确定出的最小虚拟相位图实现相位展开。本发明通过结构光系统的几何约束建立起的最小虚拟相位图为理想的、无噪声的绝对相位图，辅助相位展开时鲁棒性更高，且不需要额外的图像采集或增加额外的硬件设备，提升了相位展开速度，降低了系统复杂度。

技术领域

本发明涉及三维形状测量技术领域，更具体地，涉及一种基于结构光系统几何约束的相位展开方法。

背景技术

近些年，随着计算机视觉、光电技术和数字图像处理等技术的不断完善，非接触式三维测量方法得以快速发展。按照测量原理和测量装置的不同，非接触式测量可分为主动式和被动式两种。被动式主要依靠自然光源进行测量，主动式则一般通过测量系统主动发射光信号，再捕获投射到被测目标的反射信号进行测量。而在众多的非接触三维形状测量技术中，结构光法中的光栅条纹投影类方法以其高精度、高效率、高鲁棒性等优点得到了广泛的研究与应用。

此类方法主要通过投影系统将特定编码的光栅条纹作为结构光投影图案投影到被测目标表面，然后利用摄像机捕获经表面调制后反射的结构光，继而分析处理变形条纹图，得到正确的相位分布，最后完成被测目标的三维形状重建。其中，利用反正切函数处理变形相位后得到的相位值范围为(-π，π]，从而产生连续相位被截断的现象，被截断的相位称作包裹相位，包裹相位值同实际所求连续的相位值之间相差2kπ。因此，要完成三维重建则必须对包裹相位间断点进行加减2kπ处理，以获取真实连续的相位值，这一计算真实相位值的过程就称为相位展开。

相位展开方法分为空间相位展开法和时间相位展开法两大类。空间相位展开即沿包裹相位所在的二维平面通过比较相邻像素点间的相位进行展开；由于空间相位展开中各像素点相位相互影响，因此展开速度较慢、易导致误差传播，且无法同时测量多个独立的物体。时间相位展开通过获取一组不同频率条纹的包裹相位，然后沿时间轴进行相位展开；时间相位展开获得的相位为绝对相位，每个像素点相位在时间轴上独立地展开，可有效避免误差的传播且能同时进行多个物体的测量，但是其需要采集额外图像无疑大幅降低了测量速度且多幅图像中含有的固有噪声易导致错误的相位展开，若采用增添额外摄像设备以建立约束条件的方法则增加了系统制造的成本与复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高运行速度及鲁棒性的基于结构光系统几何约束的相位展开方法。

本发明的技术方案是：一种基于结构光系统几何约束的相位展开方法，包括以下步骤：

步骤1，构建光栅投影的结构光三维测量系统，标定摄像机与投影仪，得到相应投影参数矩阵；

步骤2，投影仪向被测目标投影光栅条纹图案，并由摄像机采集经被测目标表面调制的变形光栅条纹图，计算处理得到包裹相位；

步骤3，给定最近深度的虚拟平面z_min，根据几何光学和镜头针孔模型，将摄像机映射平面映射到投影仪成像平面，通过投影仪成像平面上相应的摄像机映射平面预定义相位图，建立相应最小虚拟相位图Φ_min；

步骤4，根据最小虚拟相位图Φ_min确定出各点的条纹级次K，实现包裹相位的展开。

进一步的，上述的基于结构光系统几何约束的相位展开方法：步骤1中标定摄像机与投影仪时，在同一个世界坐标系下对摄像机和投影仪进行标定，且将世界坐标系与摄像机镜头坐标系重合。

进一步的，上述的基于结构光系统几何约束的相位展开方法：所述步骤3中最小虚拟相位图Φ_min按如下步骤获得：