一种基于多级灰度编码辅助相位展开的结构光三维重建方法与流程

本发明属于光学三维测量，尤其涉及一种基于多级灰度编码辅助相位展开的结构光三维重建方法。

背景技术：

1、结构光三维重建技术是光学三维测量领域的重要分支，其基本原理是向被测物体表面投射编码结构光图案，利用相机同步采集被物体表面调制的变形条纹图像，通过解码条纹图像中的相位信息并结合三角测量原理计算三维坐标。该技术广泛应用于工业检测、逆向工程、医疗整形、文物数字化和人体三维扫描等领域。

2、在数字条纹投影三维重建中，相位解包裹（phase unwrapping）是决定重建精度和可靠性的关键步骤，现有常用的相位解包裹方法主要包括以下几类：

3、（一）格雷码辅助相位展开法。 该方法向被测物体投射一组格雷码编码图案，每幅图案对应一个比特位的二进制编码，对每个像素进行n位格雷码编码后得到周期级数k，再结合相移法计算的包裹相位完成解包裹。该方法需要投影n幅格雷码图案和3幅以上相移图案，典型配置为8位格雷码加3幅相移共需11幅投影。其不足之处在于：投影图幅数过多，采集时间较长，且要求物体在采集过程中保持静止，难以应用于动态场景；

4、（二）多频外差相位展开法。 该方法投射3组不同频率的正弦条纹，利用不同频率之间的相位差逐步恢复绝对相位。该方法需要投影9幅图案，投影图幅数仍然较多；不同频率的选取依赖经验或优化设计，且合成波长的放大倍数受限于频率比，在噪声环境下容易解包裹失败。

5、（三）空间相位展开法。 该方法仅利用一幅包裹相位图的空间连续性进行解包裹，不需要额外的辅助投影图案。典型算法包括枝切法、质量图引导法和最小二乘法等。其局限性在于：假设物体表面相位在空间上是连续的，对于包含深度台阶、孔洞、孤立物体或大梯度变化表面的场景，空间相位展开会引入全局性相位错误。

6、（四）傅里叶变换轮廓术。 该方法仅需单帧或有限帧条纹图像，通过空间频域滤波提取相位信息。虽然速度快，但精度较低，且容易受频谱泄漏和零频分量干扰，对条纹频率和采集条件有较为严格的限制。

7、因此，如何在保证能够处理不连续物体的前提下，进一步减少投影图幅数、提高采集效率，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的以上不足，提供一种基于多级灰度编码辅助相位展开的结构光三维重建方法，以更少的投影图幅数实现不连续物体的高精度三维重建。

2、本发明公开了一种基于阶梯灰度编码辅助相位展开的结构光三维重建方法，所述基于阶梯灰度编码辅助相位展开的结构光三维重建方法包括以下步骤：

3、步骤s1，生成投影图案，依次向被测物体表面投射投影图案，并采集被物体表面调制后变形的条纹图像；

4、投影图案包括三步相移正弦条纹图案和阶梯灰度编码光图案；

5、步骤s2，逐像素计算三步相移正弦条纹图案对应条纹图像的包裹相位；

6、步骤s3，根据三步相移正弦条纹图案对应条纹图像逐像素计算平均光强，并进行逐像素归一化处理得到归一化灰度值；

7、步骤s4，预先通过标定得到每个周期对应的归一化灰度区间，建立灰度和级数的映射表，并获取任意像素所处周期级数；

8、步骤s5，利用包裹相位和周期级数，逐像素计算绝对相位；

9、步骤s6，基于系统标定得到的投影仪和相机的内外参数，利用三角测量原理将绝对相位转换为三维点云实现三维重建。

10、更进一步地，在步骤s1中，包括以下步骤：

11、步骤s11，三步相移正弦条纹图案相位步进分别为，每个像素的灰度值按以下公式生成：

12、

13、

14、

15、其中，表示相移为0的正弦条纹图像在坐标处的像素灰度，表示相移为的正弦条纹图像在坐标处的像素灰度，表示相移为的正弦条纹图像在坐标处的像素灰度，表示行坐标，为条纹周期数，为条纹周期， = 投影仪高度/。

16、更进一步地，在步骤s1中，包括以下步骤：

17、步骤s12，阶梯灰度编码图案的周期数与正弦条纹相同，图案由个等宽度的条带组成，每个条带内的灰度值为恒定值，第个条带的灰度值为：

18、；

19、；

20、其中，表示灰度最小编码值，表示表示灰度间距，k为周期级数，即条带编号。

21、更进一步地，在步骤s1中，包括以下步骤：

22、步骤s13，通过同步触发投影仪和相机，依次向被测物体表面投射三步相移正弦条纹图案和一幅阶梯灰度编码图案，同时由相机同步采集被物体表面调制后的变形条纹图像，分别记为 、、 和 ；在不投射任何图案的条件下采集一幅暗场背景图像 。

23、更进一步地，在步骤s2中，利用三步相移算法逐像素计算包裹相位：

24、；

25、为相机采集的第一幅正弦条纹图案，为第二幅正弦条纹图案，为第三幅正弦条纹图案，表示求取反正切函数.

26、更进一步地，在步骤s3中，平均光强包括环境光分量、物体表面反射率和投影的条纹光强：

27、*；

28、为相机采集的第一幅正弦条纹图案，为第二幅正弦条纹图案，为第三幅正弦条纹图案，表示相机采集的平均光强图像；

29、利用平均光强对采集到的阶梯灰度编码图像进行逐像素归一化处理，得到归一化灰度值，以消除物体表面反射率的影响，归一化的原理如下：

30、；

31、；

32、；

33、其中，表示投影仪投射的第k副条纹图像，；表示相机采集的第k副图像，表示投影仪投射的三幅条纹图像的平均光强，表示投影仪投射的阶梯灰度编码图像， 为表面反射率，为环境光，经归一化后：

34、；

35、表示对相机采集的阶梯编码灰度图像归一化后的灰度值，表示暗场背景图像，表示相机采集的阶梯灰度编码图案。

36、更进一步地，在步骤s4中，对于像素()，其周期级数k通过以下方式确定：

37、；

38、；

39、表示像素点，表示预先标定的每个周期归一化灰度区间中心。

40、更进一步地，在步骤s5中，逐像素计算绝对相位：

41、

42、表示像素点（）的绝对相位，表示包裹相位。

43、更进一步地，在步骤s6中，利用三角测量原理将绝对相位转换为三维点云：

44、；

45、其中，func为基于投影仪-相机标定参数的重建映射函数。

46、更进一步地，在步骤1中，所述阶梯灰度编码光图案包括一幅粗阶梯灰度编码光和一幅细阶梯灰度编码光；

47、粗阶梯灰度编码光划分为个粗级，各粗级灰度值在预设的灰度最小值与灰度最大值之间等间隔分布；细阶梯灰度编码光包括多个周期的粗级，灰度值在与之间等间隔分布，在每个粗级间重复相同的个细级灰度序列；

48、在步骤3中，分别对粗阶梯灰度编码图像和细阶梯灰度编码图像进行归一化处理，得到粗归一化灰度值和细归一化灰度值；

49、在步骤4中，分别通过最近邻查表确定粗级索引c和细级索引f；按下式计算像素的周期级数：

50、；

51、；

52、联合坐标对应的粗级索引c和细级索引f确定具体的周期级数k。

53、本发明达到的有益效果是：

54、本发明具有高采集效率：仅需4-5幅投影图案即可完成相位解包裹，投影图幅数显著少于格雷码法（11幅以上）和多频外差法（9-12幅），特别适用于对采集速度有要求的动态或准动态场景。

55、本发明具有抗反射率干扰能力：利用三步相移的平均光强对阶梯编码图做归一化处理，能够有效消除物体表面反射率不均匀对周期级数判断的影响。

56、本发明支持不连续物体：通过辅助编码图直接确定每个像素的周期级数，不依赖相位空间连续假设，可处理深度台阶、孤立物体和复杂表面。

57、本发明计算效率高：周期级数采用查表方式确定，无需格雷码解码或多频率相位运算，计算复杂度低。