[发明专利]散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置

说明书

本发明属于三维测量领域，为在无须相位解包裹的基础上，通过直接在相位域上精确立体匹配，高频率的实现对动态被测物的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量，本发明散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置，利用投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机实现，两部摄像机组成立体视目对，散斑菲林片高速转动，可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，生成被测物的三维点云数据，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。本发明主要应用于三维测量场合。

技术领域

本发明属于三维测量领域，具体涉及散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法及装置。

背景技术

为高频率地动态测量弱纹理或无纹理表面的三维形貌，一般采用主动结构光测量方法。目前主要有正弦条纹法[1]、二维随机纹理法[2]、或此二者相结合[3]等方法。

其中，正弦条纹法的精度较高，但是需要使用DMD(数字微镜器件)等投影器件投射多幅不同相位或频率的正弦条纹结构光至被测物表面，因此其测量速率往往受限于DMD的投影帧率，很难达到每秒钟上千帧的测量频率。二维随机纹理方法，虽然可以仅使用一幅二维随机纹理进行立体视觉测量，但是在立体匹配过程中，很难达到左右视图中的单像素匹配，因而三维测量的精度受限。此外，若左右视目存在对焦不一致的情况下，立体视觉的匹配很可能失败。还有一些技术，将二维纹理信息和条纹叠加并投射到被测物上，并分别在空间域和相位域上分别匹配。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在无须相位解包裹的基础上，通过直接在相位域上精确立体匹配，高频率的实现对动态被测物的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。为此，本发明采用的技术方案是，散斑投影相移高频率立体视觉三维测量方法，利用投影镜头、投影光源、高速旋转的散斑菲林片、两部摄像机实现，步骤如下：

两部摄像机组成立体视目对，该立体视目对图像采集的帧率为f视目对/秒；

散斑菲林片的半径为R，其上印有自相关长度为L[4]的激光散斑图案；

散斑菲林片高速转动，其转动的角速度为弧度/秒，N是大于等于3的整数，K是大于等于0的整数，π是圆周率；

由于散斑菲林片高速转动，高速散斑相位投影装置可持续向被测物投射不断变化的激光散斑图案；

立体视目对以帧率f对被测物进行连续拍摄，得到M对带有被测物的形状信息调制的激光散斑图案的被测物的立体图像对，其中M大于等于N；

在M对立体图像对中，选取连续的N对立体图像对进行N步相移解相位算法得到图像值域为[-π/2,π/2]的相位立体图像对；

相位立体图像对中的相位条纹走势具有类似散斑的随机性，用于基于块匹配的立体匹配，相位立体图像对中的两幅图像分别称为视图1和视图2；

对相位立体图像对采用基于块匹配的立体匹配，得到整像素精度的块匹配视差图；

依据相位立体图像对,对块匹配视差图的视差结果进一步优化，得到亚像素精度的单像素匹配视差图；

将单像素匹配视差图结合立体视目对的系统参数，生成被测物的三维点云数据；

对采集的所有M对立体图像对中，所有连续的N对立体图像对重复进行自获取相位立体图像对开始的各操作步骤，实现高频率的弱纹理或无纹理表面三维形貌测量。

所述得到亚像素精度的单像素匹配视差图，具体步骤为：

(1)对块匹配视差图中的每一像素，根据其像素坐标与视差值，在相位立体图像对的视图1和视图2中分别找到对应的像素点整数坐标；