[发明专利]一种基于多模态复合编码和极线约束的高效三维图像获取方法

摘要

本发明公开了一种基于多模态复合编码和极线约束的高效三维图像获取方法，分别采取快速成像模式或高精度成像模式，在快速成像模式下，通过四幅条纹光栅获取两种不同频率相位图，利用极线约束以及左右一致性检验求得高频绝对相位并通过相位与三维坐标映射关系获取三维图像；在高精度测量模式下，通过N+2幅条纹光栅获取两种不同频率的相位，利用极线约束求得低频绝对相位并用低频绝对相位辅助高频相位展开从而获取高频绝对相位并最终通过相位与三维坐标映射关系获取三维图像。本发明不仅保证了成像效率的同时，还提高了成像精度。

主权项

1.一种基于多模态复合编码和极线约束的高效三维图像获取方法，其特征在于分别采取快速成像模式或高精度成像模式，在快速成像模式下，通过四幅条纹光栅获取两种不同频率相位图，利用极线约束以及左右一致性检验求得高频绝对相位并通过相位与三维坐标映射关系获取三维图像，其中快速成像方法的具体步骤如下：步骤一，成像系统标定；步骤二，生成、投射和采集四幅双频光栅条纹；步骤三，分析左相机、右相机采集到的光栅条纹分别得到一组高频相位和一组低频相位；步骤四，利用极线约束搜索左相机高频相位图上每一点，即原始点在空间上的对应点，并通过深度约束剔除部分错误点；步骤五，剩余的空间对应点被投射到右相机的高频以及低频相位图上，通过原始点和对应点之间相位差异确定最终对应点，并获取高频绝对相位；步骤六，根据绝对相位获取三维图像，从而实现了对动态场景三维图像高效高精度获取；其中，快速成像方法的步骤四中的具体过程如下：对于高频相位图φH上任意一点p，即为原始点，其周期级次k有FH种可能性，这意味着其绝对相位ΦH＝φH+2kπ,k∈[0,FH‑1]有FH个不同值，再由下式可知p在三维空间中对应着FH个点，即FH个对应点，其中MZ,NZ以及CZ由步骤一中所获取的标定参数推导而得，W为投影仪的横向分辨率，xp为p在投影仪上的对应点；三维成像的关键就是要确认这FH个对应点中唯一正确的对应点，首先根据左相机、右相机和投影仪有效范围预先设定为(Zmin,Zmax)，其中Zmin，Zmax表示不同的实际空间深度值，并且Zmin＜Zmax；所有使得Z超出这个预先设定的范围的k及其对应的空间点将被确认为错误点并被排除掉，经过该步骤处理后，p的正确周期级次k及其空间对应点的范围将缩小至FH'种，其中FH'＜＜FH；快速成像方法的步骤五中的具体过程为：首先，将步骤四中在(Zmin,Zmax)内剩余的空间点投影到右相机的成像面上，得到FH'个位于右相机成像面上的二维对应点；其次，通过φdiff＝φH(p)‑φH'(p')进一步排除二维对应点中φdiff超过阈值0.5rad的点，其中φdiff表示原始点与对应点在包裹相位φH与φH'上的差异，此时将正确的对应点的范围从FH'缩小至FH”；最后，在剩余的FH”个对应点中选取出使得φL(p)‑φL'(p')最小的对应点，并认为该点为正确的对应点，那么该点所对应的周期级次k即为正确的周期级次，至此确认原始点唯一的ΦH；在高精度测量模式下，通过N+2幅条纹光栅获取两种不同频率的相位，其中N≥3，利用极线约束求得低频绝对相位并用低频绝对相位辅助高频相位展开从而获取高频绝对相位并最终通过相位与三维坐标映射关系获取三维图像，高精度成像模式的步骤如下：步骤一，成像系统标定；步骤二，生成、投射和采集N+2幅双频光栅条纹图案；步骤三，分析左相机、右相机采集到的光栅条纹分别得到一组高频相位和一组低频相位；步骤四，利用极线约束搜索左相机低频相位图上每一点，即原始点在空间上的对应点，并通过深度约束剔除部分错误点；步骤五，剩余的空间对应点被投射到右相机的低频相位图上，通过原始点和对应点之间相位差异确定最终对应点，并通过低频绝对相位获取高频绝对相位；步骤六，根据绝对相位获取三维图像，从而实现了对静态场景三维图像高效高精度获取；高精度成像模式的步骤四中的具体过程如下：对于低频相位图φL上任意一点q，即原始点，其周期级次k有NL种可能性，这意味着其绝对相位ΨL＝ψL+2lπ,l∈[0,NL‑1]有NL个不同值，再由下式可知q在三维空间中对应着NL个点，即对应点，其中MZ,NZ以及CZ由步骤一中所获取的标定参数推导而得，W为投影仪的横向分辨率，xq为q在投影仪上的对应点；三维成像的关键就是要确认这NL个对应点中唯一正确的对应点，首先根据左相机、右相机和投影仪有效范围可预先设定为(Zmin,Zmax)，其中Zmin，Zmax表示不同的实际空间深度值，并且Zmin＜Zmax，所有使得Zq超出这个预先设定的范围的l及其对应的空间点将被确认为错误点并被排除掉，经过该步骤q的正确周期级次l及其空间对应点的范围将缩小至NL'种，其中NL'＜＜NL；高精度成像模式的步骤五中的具体过程为：首先，将步骤四中在(Zmin,Zmax)内剩余的空间点投影到右相机的成像面上，得到NL'个位于右相机成像面上的二维对应点；其次，由于NL'＜＜NL从而可从NL'个对应点中选取出使得ψL(p)‑ψL'(p')最小的对应点，并认为该点为正确的对应点，那么该点所对应的周期级次l即为正确的周期级次，至此可以确认原始点唯一的ΨL；最后，通过下式ψH＝ψH+2lπ求得最终的高频绝对相位ΨH。