单目远心结构光三维重建优化与景深拓展方法

本发明属于结构光三维测量，具体涉及一种单目远心结构光三维重建优化与景深拓展方法。

背景技术：

1、结构光三维测量技术通过投影仪向待测物体表面投射编码条纹，并由相机采集经物体表面形貌调制后的变形条纹图像，通过相位解算、相位展开和系统标定关系获得物体表面的三维形貌。该技术具有非接触、测量速度快、面形信息丰富和适合自动化检测等优点，在工业零件检测、精密制造、微小结构测量和表面形貌分析等领域具有广泛应用。

2、在高精度检测场景中，远心镜头由于具有近似恒定放大倍率、畸变小以及对物距变化不敏感等特点，常用于构建单目远心结构光测量系统。典型布置方式为：远心相机光轴垂直于位移台运动平面或待测基准平面，投影仪则为了形成三维测量所需的三角测量角度，以倾斜方式向被测表面投射结构光条纹。该结构能够保持相机端成像尺度稳定，但投影仪斜射会使同一视场内不同区域到投影仪的距离、入射角和投影焦面状态不同，进而引起条纹清晰度、条纹调制度和相位解算质量的空间差异。

3、现有单目结构光测量方法通常在一个固定工作距离或固定测量高度下完成标定与重建。当待测物体高度起伏较大，或当投影仪斜射导致视场不同位置具有不同的最佳投影清晰高度时，单一测量高度难以同时保证全视场的高质量重建。部分区域可能由于投影离焦或条纹调制度下降而出现相位噪声增大；部分区域虽然图像亮度较高，但其解包裹相位可能出现局部非线性、毛刺或展开错误，导致重建面形不稳定。因此，仅依赖固定高度下的一次重建，容易出现局部区域重建精度不足、边缘区域噪声增大和有效景深受限等问题。

4、为了拓展景深，现有技术中存在多焦面采集、机械扫描、图像清晰度评价和多曝光融合等方法，但这些方法多数以二维图像梯度、亮度对比度或边缘锐度作为评价依据，并不能直接表征结构光三维重建过程中相位解算的质量。对于标准平面而言，在理想重建状态下其解包裹相位在局部区域内应具有良好的线性或平面特性，因此解包裹相位直线度比单纯图像清晰度更接近最终三维重建精度。

5、此外，即使获得了不同高度下的最佳区域，如果仍逐区域逐高度进行采集，位移台移动次数和图像采集次数会显著增加，影响测量效率。若最后点云拼接时仅依据位移台标称位移量进行简单叠加，也容易因位移台重复定位误差、局部重建噪声或区域边界硬切换造成台阶、错位和重叠噪声。因此，需要在不改变远心相机、投影仪和位移台基本硬件布局的前提下，进一步建立更加稳定的质量评价、分层采集和质量权重融合机制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种单目远心结构光三维重建优化与景深拓展方法，用于解决现有单目远心结构光测量系统在投影仪斜射条件下存在的视场内重建质量不均、固定测量高度无法兼顾全区域最佳重建、景深范围受限和多高度点云拼接边界不连续等问题。该方法在不改变设备和基本流程的情况下，通过标准陶瓷平板多高度建表、综合质量评价、有效景深区间判定、待测物体粗重建引导、补偿高度分层聚类以及质量权重点云融合，提升局部相位稳定性和最终三维重建精度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单目远心结构光三维重建优化与景深拓展方法，包括以下步骤：

3、步骤1，搭建并标定单目远心结构光三维测量系统，系统包括远心相机、投影仪、位移台、标准陶瓷平板和数据处理单元，其中远心相机的光轴垂直于位移台运动平面，投影仪相对于远心相机以倾斜角度向位移台上的标准陶瓷平板或待测物体投射结构光条纹；

4、步骤2，将标准陶瓷平板放置于位移台上，控制位移台沿高度方向按照预设步长步进移动，并在每一高度位置采集结构光条纹图像；

5、步骤3，对每一高度位置采集的结构光条纹图像进行相位解算和相位展开，获得标准陶瓷平板在不同高度位置下的解包裹相位分布；

6、步骤4，将远心相机视场划分为多个局部区域，分别计算每一局部区域在不同高度位置下的重建质量评价值，所述重建质量评价值至少包括解包裹相位直线度评价值；

7、步骤5，根据同一局部区域在不同高度位置下的重建质量评价值，确定该局部区域的最佳重建高度，并确定该局部区域的有效景深区间，建立区域最佳重建高度查找表；

8、步骤6，将待测物体放置于位移台上，在初始高度位置进行初步三维重建，获得待测物体表面的粗略高度分布；

9、步骤7，根据所述粗略高度分布和区域最佳重建高度查找表，计算待测物体不同区域所需的位移台补偿量，并对所述位移台补偿量进行高度分层或聚类，得到若干代表补偿高度；

10、步骤8，控制位移台依次移动至所述代表补偿高度，在各代表补偿高度下采集结构光条纹图像并进行局部三维重建，获得多个局部高质量点云；

11、步骤9，根据位移台实际位移量以及由标准陶瓷平板标定得到的位移修正量，将多个局部高质量点云转换至统一坐标系，并按照重建质量权重对重叠区域进行融合，得到待测物体的完整三维重建结果。

12、进一步的，所述重建质量评价值还包括条纹调制度评价值、平面重建残差评价值、局部相位平滑性评价值和重复测量稳定性评价值中的一种或多种，并通过加权组合构成综合质量评价函数。

13、进一步的，所述综合质量评价函数为，其中表示相位直线度评价项，表示条纹调制度评价项，表示标准陶瓷平板重建结果相对于拟合平面的残差评价项，表示局部相位或高度平滑性评价项，表示重复采集得到的高度或相位标准差，、、、和为权重系数。

14、进一步的，所述区域最佳重建高度查找表为像素级查找表、块级查找表或区域级查找表，所述局部区域为矩形网格区域、沿投影仪斜射方向划分的条带区域，或根据条纹质量分布自适应生成的非规则区域。

15、进一步的，所述有效景深区间是指局部区域的重建质量评价值高于预设阈值或相对于最佳重建质量下降幅度小于预设比例的高度范围，所述有效景深区间用于判断待测物体局部表面是否需要执行位移台补偿采集。

16、进一步的，所述高度分层或聚类包括对不同区域所需的位移台补偿量进行等间距分箱、k均值聚类、层次聚类或基于阈值的合并，以减少位移台移动次数和结构光图像采集次数。

17、进一步的，在各代表补偿高度下进行局部三维重建时，根据区域最佳重建高度查找表、待测物体初步重建高度和当前位移台补偿高度生成区域掩膜，仅保留处于最佳重建高度或有效景深区间内的局部点云。

18、进一步的，所述局部高质量点云转换至统一坐标系时，根据位移台编码器读数、标称步进位移量或位移传感器反馈量得到实际位移量，并结合由标准陶瓷平板多高度重建平面拟合得到的位移修正量进行坐标补偿。

19、进一步的，所述重叠区域的融合方式包括按照重建质量权重进行加权平均、按照最大重建质量择优保留、在区域边界设置重叠过渡带进行渐变融合，或对融合点云进行离群点剔除、孔洞填补和平滑处理。

20、一种基于分区域最佳重建高度的单目远心结构光三维重建优化与景深拓展系统，包括远心相机、投影仪、位移台、标准陶瓷平板和处理器，所述处理器被配置为执行上述的单目远心结构光三维重建优化与景深拓展方法。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、（1）本发明直接利用结构光重建过程中的解包裹相位直线度评价局部重建状态，相比单纯二维图像清晰度评价，更能反映相位展开和三维重建质量。

23、（2）本发明针对投影仪斜射导致的视场内条纹质量不均问题，建立不同区域对应不同最佳重建高度的查找表，避免单一固定高度造成局部区域重建质量下降。

24、（3）本发明不仅记录各区域的最佳重建高度，还记录有效景深区间，可判断待测物体局部区域是否需要补偿采集，减少不必要的位移台运动和图像采集。

25、（4）本发明通过初步重建获得待测物体粗略高度，并对补偿位移量进行高度分层或聚类，使多个区域可在同一代表补偿高度下同步采集，提高测量效率。

26、（5）本发明在点云拼接阶段引入位移台实际位移量和平板标定修正量，并在重叠区域采用质量权重融合，可降低位移误差和区域边界硬切换造成的错位、台阶和噪声。

27、（6）本发明不改变远心相机垂直布置、投影仪斜射和位移台承载物体的基本设备结构，仅通过标定、采集策略和数据处理方法完成重建优化，实施成本低，适合现有单目远心结构光检测平台改造。