一种结构光快速三维成像与测量装置及方法

本发明涉及光学三维测量，具体涉及一种结构光快速三维成像与测量装置及方法。

背景技术：

1、结构光三维成像与测量通过投影仪向目标物体投射相移条纹及编码图案，由相机采集经目标表面调制的结构光图像，并依据绝对相位、系统标定参数和光学三角关系重建目标物体的三维形貌。当目标物体具有深孔、内凹结构、陡峭台阶或者较大的表面法向变化时，单一投影方向容易产生光路遮挡；高反射或低反射表面还可能引起灰度饱和或条纹调制度不足，导致相位展开错误和三维点云缺失。

2、为减小单一投影方向造成的遮挡，cn118960618a公开了一种单相机多投影结构光测量系统及三维重建方法，通过多个投影方向获得高度数据并融合无遮挡区域。该方案能够补充部分遮挡区域，但当投影方向组合预先固定，或者对全部投影方向执行相同的编码、采集和处理时，容易产生重复投影、重复采集和重复计算。

3、不同目标表面区域在不同投影方向下的条纹调制度、灰度响应稳定性和空间方向关系存在差异，且条纹调制度随条纹空间频率变化。若仅以低空间频率条纹获得响应评价结果，而正式测量采用更高空间频率条纹，所述评价结果可能不能准确反映正式测量阶段的有效响应。相位展开经过低质量区域时还可能发生周期误差传播；对于多投影测量后仍然缺失的区域，cn1945626a公开的b样条曲面点云孔洞填补方法主要依据邻域点云进行曲面拟合，未利用不同投影方向在缺失区域边界处仍然有效的绝对相位信息。

4、因此，需要在预扫描阶段同时获得用于几何重建的低空间频率相位数据和与正式测量空间频率相同的结构光响应数据，并使由此形成的同一关联映射连续用于投影方向选择、编码参数配置、相位展开路径确定、多投影三维数据融合以及补偿边界相位选择，以在满足测量覆盖要求的同时减少后续测量的冗余投影和图像采集，并提高残余不可观测区域补偿结果的边界连续性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在一台相机、多个投影仪和计算机设备的结构光测量中，如何使预扫描获得的结构光响应与正式测量使用的条纹空间频率相对应，依据目标表面在不同投影方向下的实际结构光响应选择投影资源和编码参数，并利用同一关联映射中的可观测性置信度组织相位展开、多投影三维数据融合及残余不可观测区域补偿，以减少正式测量阶段的冗余采集和重复处理，在目标物体及其测量姿态保持不变的后续测量中复用前述结果，同时改善复杂表面三维数据的完整性。

2、为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，本发明首先提供了一种结构光快速三维成像与测量装置，包括一台相机、多个投影仪和计算机设备，所述多个投影仪分别设置于所述相机的不同方位，所述多个投影仪的投影光轴相对于所述相机的观测光轴具有彼此不同的方向，所述多个投影仪的投影区域均与所述相机的成像视场至少部分重合，所述相机和所述多个投影仪均与所述计算机设备通信连接；

3、所述计算机设备包括以下多个模块：

4、标定模块，用于对所述相机和所述多个投影仪进行空间参数标定；  可观测性评价模块，用于控制所述多个投影仪依次向目标物体投射预扫描结构光序列，控制所述相机同步采集与各投影方向对应的预扫描图像序列，将所述预扫描图像序列对应的目标表面划分为多个目标表面区域；所述预扫描结构光序列包括第一相移条纹子序列、与所述第一相移条纹子序列对应的第一格雷码子序列以及第二相移条纹子序列，所述第一相移条纹子序列的条纹空间频率低于所述第二相移条纹子序列的条纹空间频率，所述第二相移条纹子序列的条纹空间频率与正式测量所用结构光编码序列中的相移条纹空间频率相同；根据各目标表面区域在各投影方向下由所述第二相移条纹子序列确定的条纹调制度和灰度响应稳定性以及由所述第一相移条纹子序列、所述第一格雷码子序列和所述空间参数标定的结果确定的方向一致性，确定对应的可观测性置信度，并由各目标表面区域在各投影方向下的可观测性置信度形成方向相关空间可观测性分布；  动态调度与采集模块，用于根据所述方向相关空间可观测性分布建立关联映射，所述关联映射以目标表面区域编号和投影方向编号为联合索引，关联记录相应的条纹调制度、灰度响应稳定性、方向一致性、可观测性置信度、有效结构光响应像素信息及投影覆盖信息，并设置投影方向选择结果字段、低可观测性区域像素占比字段和编码配置结果字段；所述有效结构光响应像素根据由所述第二相移条纹子序列确定的像素条纹调制度是否满足预设调制度条件，以及由所述第二相移条纹子序列拟合得到的直流分量是否满足预设非饱和条件确定；针对非空候选投影方向集合，分别确定所述候选投影方向集合在各目标表面区域中的有效结构光响应像素覆盖率、各目标表面区域在所述候选投影方向集合中的最大可观测性置信度以及所述候选投影方向集合中的投影方向数量，按照各目标表面区域的像素数占全部目标表面区域的像素总数的比例，对所述有效结构光响应像素覆盖率和所述最大可观测性置信度进行加权，构建随加权后的有效结构光响应像素覆盖率和最大可观测性置信度增大而增大、并随所述投影方向数量占全部投影方向数量的比例增大而减小的投影方向选择指标；将满足加权后的有效结构光响应像素覆盖率不低于预设覆盖阈值的测量覆盖约束且所述投影方向选择指标最大的候选投影方向集合确定为投影方向组合，并将表征各投影方向是否属于所述投影方向组合的投影方向选择结果写入所述投影方向选择结果字段；根据所述关联映射及所述投影方向组合中各投影方向对应的可观测性置信度分布配置对应的结构光编码参数，并将所述结构光编码参数的配置结果写入所述编码配置结果字段；控制与所述投影方向组合对应的投影仪依次投射各自的结构光编码序列，并控制所述相机同步采集对应的结构光图像；所述预扫描、所述投影方向组合的确定和所述结构光编码参数的配置在所述目标物体进入测量空间或者所述目标物体的测量姿态发生改变后执行的首次测量周期中执行；在所述目标物体及其测量姿态保持不变的后续测量周期中，复用首次测量周期中获得的所述方向相关空间可观测性分布、所述关联映射、所述投影方向组合及所述结构光编码参数的配置结果，并根据复用结果控制对应的投影仪和所述相机完成后续正式测量；  相位解码与重建模块，用于分别根据所述投影方向组合中的各投影方向所对应的结构光图像计算包裹相位，依据同一投影方向下各目标表面区域的可观测性置信度确定该投影方向的相位展开起始区域和相位展开路径，以获得该投影方向的绝对相位；根据所述投影方向组合中的各投影方向的绝对相位和所述空间参数标定的结果重建对应投影方向下的有效三维数据，并根据对应的可观测性置信度融合所述有效三维数据，以获得初始三维形貌；  补偿与融合模块，用于将所述初始三维形貌中未获得有效三维点的相机像素所构成的连通区域确定为不可观测区域；对于边界处能够获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，根据所述不可观测区域的邻域三维点云、表面几何连续性约束，以及由所述有效绝对相位数据按照所述关联映射记录的相应可观测性置信度进行选择和融合并结合所述空间参数标定的结果形成的多投影相位导出边界约束，求解b样条曲面补偿模型以生成补偿点云；对于边界处不能获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，将其标记为待复测区域；融合所述初始三维形貌与所述补偿点云，以获得所述目标物体的三维形貌。

5、进一步地，所述可观测性评价模块用于：  根据所述第一相移条纹子序列和所述第一格雷码子序列确定各投影方向的预扫描绝对相位，根据所述预扫描绝对相位和所述空间参数标定的结果获得有效预扫描三维数据，并根据所述有效预扫描三维数据确定各目标表面区域的局部表面单位法向量； 对各投影方向对应的第二相移条纹子序列进行相移条纹灰度模型拟合，根据拟合得到的调制幅值与直流分量之比确定各目标表面区域在各投影方向下的条纹调制度，并对所述条纹调制度进行归一化，获得归一化条纹调制度；将实际灰度与拟合灰度之间的归一化残差作为灰度响应波动，并根据所述灰度响应波动确定归一化灰度响应稳定性，其中，所述灰度响应波动越小，所述归一化灰度响应稳定性越大；  根据第一非负方向余弦与第二非负方向余弦的乘积确定方向一致性指标，其中，所述第一非负方向余弦为由目标表面区域指向对应投影仪的第一单位向量与所述目标表面区域的局部表面单位法向量的点积和零中的较大值，所述第二非负方向余弦为由所述目标表面区域指向所述相机的第二单位向量与所述局部表面单位法向量的点积和零中的较大值，所述局部表面单位法向量的方向取为使其与所述第二单位向量的点积不小于零的方向；采用预设正权重系数分别对所述归一化条纹调制度、所述归一化灰度响应稳定性和所述方向一致性指标进行加权，并通过单调递增的归一化函数获得各目标表面区域在各投影方向下的可观测性置信度；  对于不能由所述有效预扫描三维数据确定局部表面单位法向量的目标表面区域，将对应的方向一致性指标设为零。

6、进一步地，所述动态调度与采集模块用于：  同一像素由同一候选投影方向集合中的多个投影方向覆盖时，在确定所述有效结构光响应像素覆盖率时仅计数一次；  对于所述投影方向组合中的每一投影方向，确定该投影方向对应的投影仪在所述目标表面上的投影覆盖范围内低可观测性区域的像素占比，将所述像素占比写入所述低可观测性区域像素占比字段，在所述像素占比低于预设比例阈值时配置低冗余编码序列，在所述像素占比不低于所述预设比例阈值时配置增强编码序列；所述结构光编码参数包括相移步数和格雷码位数中的至少一项，所述低冗余编码序列与所述增强编码序列均用于与所述相位展开处理配合，确定各自有效覆盖区域中满足相位展开条件的目标表面区域的绝对相位，所述低冗余编码序列的至少一项结构光编码参数小于所述增强编码序列的同类结构光编码参数，且其余结构光编码参数不大于所述增强编码序列的同类结构光编码参数；所述低可观测性区域为该投影方向下的可观测性置信度低于预设置信度阈值的目标表面区域。

7、进一步地，所述相位解码与重建模块用于：  针对所述投影方向组合中的每一投影方向，根据所述目标表面区域之间的空间相邻关系建立区域邻接关系，将共享边界处两侧均具有有效包裹相位的对应像素对占所述共享边界处全部对应像素对的比例不低于预设有效比例阈值，且所述两侧均具有有效包裹相位的对应像素对的包裹相位差按照一个完整相位周期进行等价换算后所得相位差绝对值的中位数不大于预设边界相位阈值的两个相邻目标表面区域之间的相邻关系确定为可传播相邻关系；将该投影方向下可观测性置信度不低于预设展开阈值的目标表面区域确定为相位展开起始区域集合，并根据该投影方向对应的结构光编码序列的解码结果确定所述相位展开起始区域集合内包裹相位的整数周期数，以获得所述相位展开起始区域集合的绝对相位；  在获得所述相位展开起始区域集合的绝对相位后，重复执行以下处理，直至不存在与已完成相位展开的目标表面区域构成可传播相邻关系的未展开目标表面区域：从与已完成相位展开的目标表面区域构成可传播相邻关系的未展开目标表面区域中，选取该投影方向下可观测性置信度最高的目标表面区域作为当前目标表面区域；从与所述当前目标表面区域构成可传播相邻关系且已完成相位展开的目标表面区域中，选取该投影方向下可观测性置信度最高的目标表面区域作为参考区域；根据所述参考区域与所述当前目标表面区域的共享边界处的绝对相位连续性，确定所述当前目标表面区域的相位展开整数周期数，并按照所述相位展开整数周期数对所述当前目标表面区域内的包裹相位进行完整相位周期的整数倍补偿，以完成所述当前目标表面区域的相位展开；对于同一相机像素仅存在一个投影方向的有效三维数据的情况，保留该有效三维数据作为所述初始三维形貌中的有效三维点；对于同一相机像素存在来自多个投影方向的有效三维数据的情况，当所述多个投影方向对应于该相机像素所在目标表面区域的可观测性置信度之和大于零时，将各投影方向对应的可观测性置信度分别除以所述可观测性置信度之和，获得相应的归一化融合权重，并按照所述归一化融合权重对所述同一相机像素对应的各有效三维数据进行加权融合；当所述可观测性置信度之和为零时，不将该相机像素对应的各有效三维数据写入所述初始三维形貌，并将该相机像素标记为未获得有效三维点的像素。

8、进一步地，所述补偿与融合模块用于：  提取与所述不可观测区域相邻的有效三维点云，并根据所述有效三维点云确定局部表面单位法向量和邻域平均绝对主曲率，所述邻域平均绝对主曲率为所述有效三维点云中各三维点处两个主曲率的绝对值的平均值；确定所述不可观测区域在所述相机的成像平面中的区域像素数，在所述区域像素数小于预设像素数阈值且所述邻域平均绝对主曲率小于预设曲率阈值时采用第一补偿参数组，否则采用第二补偿参数组，其中，所述第二补偿参数组的b样条曲面次数和迭代次数中的至少一项大于所述第一补偿参数组的同类参数，且其余同类参数不小于所述第一补偿参数组的同类参数；根据所述有效三维点云中的三维点与待补偿点之间的空间距离以及所述局部表面单位法向量与所述待补偿点的估计法向量之间的一致性形成所述表面几何连续性约束；  对于所述不可观测区域，统计其边界处能够获得的不同投影方向的有效绝对相位数据，当所述投影方向组合中的有效正式测量绝对相位数据来自至少两个不同投影方向时，直接采用所述有效正式测量绝对相位数据；当所述有效正式测量绝对相位数据所对应的不同投影方向数量少于两个时，按照所述关联映射记录的可观测性置信度由高到低，从所述第一相移条纹子序列和所述第一格雷码子序列解码得到的其余投影方向的有效预扫描绝对相位数据中进行补充；在完成上述选择和必要的补充后，已经获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据时，根据所述空间参数标定的结果将获得的各有效绝对相位数据分别转换为相机坐标系中的三维边界点；当参与融合的各三维边界点对应的可观测性置信度之和大于零时，将各可观测性置信度分别除以所述可观测性置信度之和，获得相应的归一化权重，并按照所述归一化权重对所述三维边界点进行加权融合；当所述可观测性置信度之和为零时，对所述三维边界点进行等权融合；将融合后的三维边界点用于形成所述多投影相位导出边界约束；在完成上述选择和必要的补充后，仍不能获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据时，将所述不可观测区域标记为待复测区域，不生成该不可观测区域的补偿点云；对于已经获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，在所述表面几何连续性约束和所述多投影相位导出边界约束下，按照所述第一补偿参数组或者所述第二补偿参数组求解所述b样条曲面补偿模型，以生成所述补偿点云。

9、根据本发明的第二个方面，本发明还提供了一种上述测量装置的测量方法，包括：s1：对所述相机和所述多个投影仪进行空间参数标定；  s2：控制所述多个投影仪依次向目标物体投射预扫描结构光序列，由所述相机同步采集与各投影方向对应的预扫描图像序列；所述预扫描结构光序列包括第一相移条纹子序列、与所述第一相移条纹子序列对应的第一格雷码子序列以及第二相移条纹子序列，所述第一相移条纹子序列的条纹空间频率低于所述第二相移条纹子序列的条纹空间频率，所述第二相移条纹子序列的条纹空间频率与正式测量所用结构光编码序列中的相移条纹空间频率相同；将所述预扫描图像序列对应的目标表面划分为多个目标表面区域，根据各目标表面区域在各投影方向下由所述第二相移条纹子序列确定的条纹调制度和灰度响应稳定性以及由所述第一相移条纹子序列、所述第一格雷码子序列和所述空间参数标定的结果确定的方向一致性，确定对应的可观测性置信度，并由各目标表面区域在各投影方向下的可观测性置信度形成方向相关空间可观测性分布；  s3：根据所述方向相关空间可观测性分布建立关联映射，所述关联映射以目标表面区域编号和投影方向编号为联合索引，关联记录相应的条纹调制度、灰度响应稳定性、方向一致性、可观测性置信度、有效结构光响应像素信息及投影覆盖信息，并设置投影方向选择结果字段、低可观测性区域像素占比字段和编码配置结果字段；所述有效结构光响应像素根据由所述第二相移条纹子序列确定的像素条纹调制度是否满足预设调制度条件，以及由所述第二相移条纹子序列拟合得到的直流分量是否满足预设非饱和条件确定；  s4：针对非空候选投影方向集合，分别确定所述候选投影方向集合在各目标表面区域中的有效结构光响应像素覆盖率、各目标表面区域在所述候选投影方向集合中的最大可观测性置信度以及所述候选投影方向集合中的投影方向数量，按照各目标表面区域的像素数占全部目标表面区域的像素总数的比例，对所述有效结构光响应像素覆盖率和所述最大可观测性置信度进行加权，构建随加权后的有效结构光响应像素覆盖率和最大可观测性置信度增大而增大、并随所述投影方向数量占全部投影方向数量的比例增大而减小的投影方向选择指标；将满足加权后的有效结构光响应像素覆盖率不低于预设覆盖阈值的测量覆盖约束且所述投影方向选择指标最大的候选投影方向集合确定为投影方向组合，并将表征各投影方向是否属于所述投影方向组合的投影方向选择结果写入所述投影方向选择结果字段；  s5：根据所述关联映射及所述投影方向组合中各投影方向对应的可观测性置信度分布配置对应的结构光编码参数，将各投影方向的低可观测性区域像素占比写入所述低可观测性区域像素占比字段，并将所述结构光编码参数的配置结果写入所述编码配置结果字段；控制与所述投影方向组合对应的投影仪依次投射各自的结构光编码序列，并由所述相机同步采集对应的结构光图像； 所述步骤s2、步骤s3、步骤s4以及所述步骤s5中的结构光编码参数配置在所述目标物体进入测量空间或者所述目标物体的测量姿态发生改变后执行的首次测量周期中执行；在所述目标物体及其测量姿态保持不变的后续测量周期中，复用首次测量周期中获得的所述方向相关空间可观测性分布、所述关联映射、所述投影方向组合及所述结构光编码参数的配置结果，并根据所述复用结果直接执行所述步骤s5中的结构光投影及图像采集； s6：分别根据所述投影方向组合中的各投影方向所对应的结构光图像计算包裹相位，依据同一投影方向下各目标表面区域的可观测性置信度确定该投影方向的相位展开起始区域和相位展开路径，以获得该投影方向的绝对相位；根据所述投影方向组合中的各投影方向的绝对相位和所述空间参数标定的结果重建对应投影方向下的有效三维数据，并根据对应的可观测性置信度融合所述有效三维数据，以获得初始三维形貌； s7：将所述初始三维形貌中未获得有效三维点的相机像素所构成的连通区域确定为不可观测区域；对于边界处能够获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，根据所述不可观测区域的邻域三维点云、表面几何连续性约束，以及由所述有效绝对相位数据按照所述关联映射记录的相应可观测性置信度进行选择和融合并结合所述空间参数标定的结果形成的多投影相位导出边界约束，求解b样条曲面补偿模型以生成补偿点云；对于边界处不能获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，将其标记为待复测区域；s8：融合所述初始三维形貌与所述补偿点云，获得所述目标物体的三维形貌。

10、进一步地，所述步骤s2包括：

11、根据所述第一相移条纹子序列和所述第一格雷码子序列确定各投影方向的预扫描绝对相位，根据所述预扫描绝对相位和所述空间参数标定的结果获得有效预扫描三维数据，并根据所述有效预扫描三维数据确定各目标表面区域的局部表面单位法向量；

12、按照式（1）确定第个目标表面区域在第个投影方向下的可观测性置信度：

13、 式（1）

14、按照式（2）确定所述第个目标表面区域在所述第个投影方向下的方向一致性指标：

15、 式（2）

16、其中，表示单调递增的归一化函数，表示取其中的最大值，表示两个向量的点积；为所述目标表面区域的数量，为全部投影方向的数量，，；为所述第个目标表面区域在所述第个投影方向下的归一化条纹调制度，所述条纹调制度根据对所述第个投影方向对应的第二相移条纹子序列进行相移条纹灰度模型拟合所得的调制幅值与直流分量之比确定；为所述第个目标表面区域在所述第个投影方向下的归一化灰度响应稳定性，所述灰度响应稳定性根据所述第二相移条纹子序列的实际灰度与拟合灰度之间的归一化残差确定，所述归一化残差越小，越大；为由所述第个目标表面区域指向与所述第个投影方向对应的投影仪的单位向量，为由所述第个目标表面区域指向所述相机的单位向量，为根据所述第一相移条纹子序列和所述第一格雷码子序列确定的预扫描绝对相位以及所述空间参数标定的结果得到的有效预扫描三维数据确定的局部表面单位法向量，的方向取为使的方向；对于不能由所述有效预扫描三维数据确定局部表面单位法向量的目标表面区域，将对应的设为零；、、为预设正权重系数，且三者之和为1；

17、所述步骤s4包括：按照式（3）确定非空候选投影方向集合的投影方向选择指标：

18、 式（3）

19、其中，式（3）中的求和符号表示对从1至的对应项求和，表示在属于候选投影方向集合的各投影方向中取的最大值；为由全部投影方向中的至少一个投影方向构成的候选投影方向集合，为所述第个目标表面区域的像素数占全部所述目标表面区域的像素总数的比例，为所述候选投影方向集合在所述第个目标表面区域中的有效结构光响应像素覆盖率，为所述候选投影方向集合中的投影方向数量，、、为预设正权重系数；所述有效结构光响应像素为根据所述第二相移条纹子序列确定的像素条纹调制度不低于预设调制度阈值且拟合直流分量处于预设非饱和范围内的像素，同一像素由所述候选投影方向集合中的多个投影方向覆盖时仅计数一次；

20、按照式（4）确定所述候选投影方向集合是否满足所述测量覆盖约束：

21、 式（4）

22、将满足式（4）且所述投影方向选择指标最大的候选投影方向集合确定为所述投影方向组合，其中，为所述预设覆盖阈值。

23、进一步地，所述步骤s5包括：

24、对于所述投影方向组合中的每一投影方向，将该投影方向下可观测性置信度不低于预设置信度阈值的目标表面区域确定为高可观测性区域，并将该投影方向下可观测性置信度低于所述预设置信度阈值的目标表面区域确定为低可观测性区域；确定该投影方向对应的投影仪在所述目标表面上的投影覆盖范围内所述低可观测性区域的像素占比，将所述像素占比写入所述低可观测性区域像素占比字段，在所述像素占比低于预设比例阈值时配置低冗余编码序列，在所述像素占比不低于所述预设比例阈值时配置增强编码序列； 所述结构光编码参数包括相移步数和格雷码位数中的至少一项，所述低冗余编码序列与所述增强编码序列均用于与所述步骤s6的相位展开处理配合，确定各自有效覆盖区域中满足相位展开条件的目标表面区域的绝对相位，所述低冗余编码序列的至少一项结构光编码参数小于所述增强编码序列的同类结构光编码参数，且其余结构光编码参数不大于所述增强编码序列的同类结构光编码参数。

25、进一步地，所述步骤s6包括：

26、针对所述投影方向组合中的每一投影方向，根据所述目标表面区域之间的空间相邻关系建立区域邻接关系，将共享边界处两侧均具有有效包裹相位的对应像素对占所述共享边界处全部对应像素对的比例不低于预设有效比例阈值，且所述两侧均具有有效包裹相位的对应像素对的包裹相位差按照一个完整相位周期进行等价换算后所得相位差绝对值的中位数不大于预设边界相位阈值的两个相邻目标表面区域之间的相邻关系确定为可传播相邻关系；将该投影方向下可观测性置信度不低于预设展开阈值的目标表面区域确定为相位展开起始区域集合，并根据该投影方向对应的结构光编码序列的解码结果确定所述相位展开起始区域集合内包裹相位的整数周期数，以获得所述相位展开起始区域集合的绝对相位；

27、在获得所述相位展开起始区域集合的绝对相位后，重复执行以下处理，直至不存在与已完成相位展开的目标表面区域构成可传播相邻关系的未展开目标表面区域：从与已完成相位展开的目标表面区域构成可传播相邻关系的未展开目标表面区域中，选取该投影方向下可观测性置信度最高的目标表面区域作为当前目标表面区域；从与所述当前目标表面区域构成可传播相邻关系且已完成相位展开的目标表面区域中，选取该投影方向下可观测性置信度最高的目标表面区域作为参考区域；根据所述参考区域与所述当前目标表面区域的共享边界处的绝对相位连续性，确定所述当前目标表面区域的相位展开整数周期数，并按照所述相位展开整数周期数对所述当前目标表面区域内的包裹相位进行完整相位周期的整数倍补偿，以完成所述当前目标表面区域的相位展开；

28、对于同一相机像素仅存在一个投影方向的有效三维数据的情况，保留该有效三维数据作为所述初始三维形貌中的有效三维点；对于同一相机像素存在来自多个投影方向的有效三维数据的情况，当所述多个投影方向对应于该相机像素所在目标表面区域的可观测性置信度之和大于零时，将各投影方向对应的可观测性置信度分别除以所述可观测性置信度之和，获得相应的归一化融合权重，并按照所述归一化融合权重对所述同一相机像素对应的各有效三维数据进行加权融合；当所述可观测性置信度之和为零时，不将该相机像素对应的各有效三维数据写入所述初始三维形貌，并将该相机像素标记为未获得有效三维点的像素。

29、进一步地，所述步骤s7包括：

30、提取与所述不可观测区域相邻的有效三维点云，并根据所述有效三维点云确定局部表面单位法向量和邻域平均绝对主曲率，所述邻域平均绝对主曲率为所述有效三维点云中各三维点处两个主曲率的绝对值的平均值；确定所述不可观测区域在所述相机的成像平面中的区域像素数，在所述区域像素数小于预设像素数阈值且所述邻域平均绝对主曲率小于预设曲率阈值时采用第一补偿参数组，否则采用第二补偿参数组，其中，所述第二补偿参数组的b样条曲面次数和迭代次数中的至少一项大于所述第一补偿参数组的同类参数，且其余同类参数不小于所述第一补偿参数组的同类参数；根据所述有效三维点云中的三维点与待补偿点之间的空间距离以及所述局部表面单位法向量与所述待补偿点的估计法向量之间的一致性形成所述表面几何连续性约束； 对于所述不可观测区域，统计其边界处能够获得的不同投影方向的有效绝对相位数据，当所述投影方向组合中的有效正式测量绝对相位数据来自至少两个不同投影方向时，直接采用所述有效正式测量绝对相位数据；当所述有效正式测量绝对相位数据所对应的不同投影方向数量少于两个时，按照所述关联映射记录的可观测性置信度由高到低，从所述第一相移条纹子序列和所述第一格雷码子序列解码得到的其余投影方向的有效预扫描绝对相位数据中进行补充；在完成上述选择和必要的补充后，已经获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据时，根据所述空间参数标定的结果将获得的各有效绝对相位数据分别转换为相机坐标系中的三维边界点；当参与融合的所述三维边界点对应的可观测性置信度之和大于零时，将各可观测性置信度分别除以所述可观测性置信度之和，获得相应的归一化权重，并按照所述归一化权重对所述三维边界点进行加权融合；当所述可观测性置信度之和为零时，对所述三维边界点进行等权融合；将融合后的三维边界点用于形成所述多投影相位导出边界约束；在完成上述选择和必要的补充后，仍不能获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据时，将所述不可观测区域标记为待复测区域，不生成该不可观测区域的补偿点云； 对于已经获得至少两个不同投影方向的有效绝对相位数据的不可观测区域，在所述表面几何连续性约束和所述多投影相位导出边界约束下，按照所述第一补偿参数组或者所述第二补偿参数组求解所述b样条曲面补偿模型，以生成所述补偿点云。

31、相比于现有技术，本发明的有益效果体现在：

32、1. 本发明的预扫描结构光序列同时包括用于获得预扫描绝对相位和局部表面几何关系的低频几何子序列，以及条纹空间频率与正式测量相同的评价相移子序列；由同频评价相移子序列确定条纹调制度和灰度响应稳定性，并结合方向一致性形成可观测性置信度，能够避免直接以低频条纹响应推断高频正式测量响应，使方向相关空间可观测性分布更贴近正式测量条件。

33、2. 本发明以目标表面区域和投影方向为联合索引建立关联映射，在满足测量覆盖要求的前提下选择覆盖效果较好、可观测性较高且数量较少的投影方向组合，并根据各方向的低可观测性区域像素占比配置编码参数；在目标物体及其测量姿态保持不变的后续测量中，复用首次测量周期中获得的方向相关空间可观测性分布、关联映射、投影方向组合及编码配置结果，能够减少后续测量的重复投影、图像采集和调度处理量。

34、3. 本发明以关联映射记录的可观测性置信度确定相位展开起始区域、传播顺序和多投影三维数据融合权重，能够减少低质量相位数据造成的周期误判及错误传播，并降低低置信度三维数据对融合结果的影响。

35、4. 对于经所选投影方向测量后仍缺少有效三维数据的不可观测区域，本发明优先采用正式测量绝对相位，并在不足两个投影方向时按照关联映射记录的可观测性置信度补充预扫描绝对相位；在能够获得至少两个方向的有效绝对相位时，通过表面几何连续性约束和多投影相位导出边界约束共同求解b样条曲面补偿模型，在仍不足两个方向时将相应区域标记为待复测区域，从而提高补偿边界连续性并避免在约束不足时生成可信度不明的补偿点云。