基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建方法及系统

本发明涉及光学三维测量与计算机视觉领域，具体涉及一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建方法及系统。

背景技术：

1、光学三维重建技术是获取物体空间形貌信息的关键手段，广泛应用于工业检测、智能制造、逆向工程、生物医学及虚拟现实等领域。其中，基于结构光投影的条纹投影轮廓术（fringe projection profilometry, fpp）因其非接触、高精度优势成为主流。该方法的核心原理是，将已知的编码图案（如正弦条纹）投影至物体表面，由相机捕获受物体高度调制的变形图案，继而通过相位解算与三维映射，还原出物体的表面轮廓。

2、然而，传统 fpp 技术面临以下固有瓶颈：（1）动态测量局限性：传统四步相移法需投射多幅具有固定相位差的条纹图样；这种时序切换机制导致测量系统难以捕捉快速动态过程，且极易产生运动伪影。（2）系统体积庞大：传统投影模块由离散的机械或光电部件（如dmd、复杂透镜组）协同工作，难以集成到移动平台或狭小空间。（3）调控维度单一：现有方法主要利用光强的空间分布进行编码，未能有效利用光波的偏振属性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建方法及系统，解决传统三维重建中系统集成度低、相移依赖机械/时序切换导致测量速度受限，以及超表面投影系统标定复杂的问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建系统，包括：

3、投影端：用于向待测物体投射具有空间变偏振特性的结构光场；所述投影端包括相继布置的单色光源、准直器、起偏器、空间偏振编码超表面和投影镜头；其中，所述空间偏振编码超表面由各向异性纳米柱阵列组成，通过调制纳米柱的几何取向角，将入射线偏振光调制为偏振方位角随空间相位线性变化的出射光场；

4、成像端：用于同步采集受待测物体形貌调制的变形偏振场图像；所述成像端采用分焦平面偏振成像探测器，其感光芯片集成有微纳线栅偏振阵列，能够在单次曝光下获取多个独立偏振通道的强度分量；

5、计算端：与所述成像端连接，用于根据马吕斯定律将采集到的多个偏振通道图像进行解析，重构出具有预设相位差的相移条纹图，并结合预存的全域映射查找表解算出待测物体的三维点云。

6、进一步的，通过调节空间偏振编码超表面纳米柱的几何取向角，利用几何相位原理将相位信息映射为空间非均匀分布的偏振方位角，所述投影端的投影镜头将调制后的光场投射至待测物体表面，形成携带深度信息的偏振结构光条纹。

7、进一步的，所述分焦平面偏振探测器为集成了 sony imx250mzr 芯片的偏振相机，其四个不同角度的偏振片分别放置于单个像元上，每四个像元一组作为一个计算单元，用于单帧生成四步相移图像，四个不同角度分别为0°、45°、90°、135°。

8、进一步的，所述计算端执行的操作包括：对采集到的四通道偏振图像进行空间一致性对齐与插值补偿，以消除像素空间失配产生的相位噪声。

9、一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建方法，基于上述的系统实现，该方法包括以下步骤：

10、步骤一，系统全域映射标定：在测量范围内，通过改变标定板的轴向位置获取多个深度平面下的标准相位分布，并建立像素坐标、相位值与深度之间的全域映射查找表；

11、步骤二，单帧数据采集：利用所述成像端对待测物体进行单次曝光，瞬时获取四个偏振分量的原始图像数据；

12、步骤三，相位解算与坐标反投影：对所述原始图像数据进行解析，利用相移法计算得到物体的包裹相位，通过检索所述全域映射查找表，直接映射得到待测物体的三维坐标。

13、进一步的，步骤一具体包括：

14、1-1）将标准平板置于初始深度处；

15、1-2）利用结构光投影模组投射偏振结构光，利用成像端采集四通道偏振图像，利用四步相移公式获取该平面的全场包裹相位图；

16、1-3）在同一深度平面下，采集棋盘格标定板图像，计算该平面内像素坐标与物理坐标的映射关系；

17、1-4）重复步骤1-1）~ 1-3），遍历所有预设深度，通过网格插值构建以像素坐标和相位值为索引的全域映射查找表。

18、进一步的，在步骤三中，所述包裹相位的提取结合了窗口傅里叶滤波算法，用于抑制散斑噪声及环境背景干扰，提高深度重建精度。

19、进一步的，所述全域映射查找表将离散的标定点拟合为连续函数关系，以实现对测量范围内任意相位值的亚像素级深度重建。

20、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

21、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、（1）单帧物理相移：基于 tri050s 的 dofp 特性，消除时间跨度上的相移切换，避免了传统fpp所需的多幅编码图案的投影与采集时间，实现真正的瞬时三维捕捉，有利于实现动态场景下的实时三维重建。

24、（2）高度集成：超表面厚度为微米量级，可替代传统dlp（数字光处理）或lcd投影仪承担空间编码功能，有利于缩短投影光路并减小系统包络体积，便于在微纳检测及受限空间中集成。

25、（3）高鲁棒性标定：全域映射查找表有效补偿了超表面制造误差，通过直接建立相位-坐标映射，规避了传统相机-投影仪模型复杂的非线性畸变校正 。

1.一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求 1 所述的基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建系统，其特征在于：通过调节空间偏振编码超表面纳米柱的几何取向角，利用几何相位原理将相位信息映射为空间非均匀分布的偏振方位角，所述投影端的投影镜头将调制后的光场投射至待测物体表面，形成携带深度信息的偏振结构光条纹。

3.根据权利要求 1 所述的基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建系统，其特征在于：所述分焦平面偏振探测器为集成了 sony imx250mzr 芯片的偏振相机，其四个不同角度的偏振片分别放置于单个像元上，每四个像元一组作为一个计算单元，用于单帧生成四步相移图像，四个不同角度分别为0°、45°、90°、135°。

4.根据权利要求 1 所述的基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建系统，其特征在于：所述计算端执行的操作包括：对采集到的四通道偏振图像进行空间一致性对齐与插值补偿，以消除像素空间失配产生的相位噪声。

5.一种基于空间偏振编码超表面的单帧瞬时三维重建方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统实现，该方法包括以下步骤：

6.根据权利要求 5 所述的方法，其特征在于：步骤一具体包括：

7.根据权利要求 5 所述的方法，其特征在于：所述全域映射查找表将离散的标定点拟合为连续函数关系，以实现对测量范围内任意相位值的亚像素级深度重建。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至7中任一项所述的方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令集，其特征在于，所述可执行指令集被处理器执行时实现如权利要求5至7中任一项所述的方法的步骤。