一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置

1.本发明涉及光学三维测量技术领域，尤其涉及一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置。


背景技术：

2.基于投影与成像技术的高速发展，结构光三维测量方法具有高速，高精度，适用范围广的特点，是广泛应用的非接触式三维测量方法之一。目前大部分的结构光三维测量方法基于二值条纹离焦投影技术。
3.二值条纹离焦投影技术的原理是利用离焦效应把二值条纹模糊成标准的正弦条纹。二值条纹离焦程度过度或不足均会导致包裹相位误差增大，而相位解包裹的准确度基于包裹相位的精度，解包裹误差会同时增大。目前通常采用多频外差法进行相位解包裹，然而，该多频外差法依赖于包裹相位的精度，容易受到包裹相位误差的影响，从而难以实现高精度的三维测量。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置，解决了现有相位解包裹方法因容易受到包裹相位误差的影响而难以实现高精度的三维测量的技术问题。
5.本发明第一方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
6.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，包括：根据下式求解离焦度：式中，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，示所
述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，值等于二值条纹总数，为待求解的离焦度，表示所述第1个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度。
7.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位，包括：将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：式中，是相机的像素坐标，表示在像素坐标下的归一化参考相位，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数，为在像素坐标下的离焦度；基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：式中，表示绝对相位，表示包裹相位，表示条纹图像的条纹级次，表示投影坐标的最大值，表示条纹宽度，为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
8.本发明第二方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实现的方式所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法；处理器，用于执行所述存储器中的指令。
9.本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够实现的方式所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
10.本发明第四方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：获取模块，用于获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；包裹相位求解模块，用于基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；相位解包裹模块，用于根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；三维测量模块，用于根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
11.根据本发明第四方面的一种能够实现的方式，所述相位解包裹模块包括：离焦度求解单元，用于根据下式求解离焦度：
式中，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，值等于二值条纹总数，为待求解的离焦度，表示所述第1个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度。
12.根据本发明第四方面的一种能够实现的方式，所述相位解包裹模块包括：归一化参考相位计算单元，用于将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：式中，是相机的像素坐标，表示在像素坐标下的归一化参考相位，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数，为在像素坐标下的离焦度；绝对相位求解单元，用于基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：式中，表示绝对相位，表示包裹相位，表示条纹图像的条纹级次，表示投影坐标的最大值，表示条纹宽度，为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
13.本发明第五方面提供一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，所述方法包括：判断是否已标定离焦相位函数，若是，采用投影仪将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，并利用相机拍照以采集对应条纹图像；基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
14.根据本发明第五方面的一种能够实现的方式，所述方法还包括：若未标定离焦相位函数，使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用n步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；
以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
15.根据本发明第五方面的一种能够实现的方式，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：式中，、、为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标下的离焦度，为不同高度下的平面总数，、、为记录的像素坐标下的对应归一化参考相位，、用于表示对应的矩阵，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数；按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：式中，为矩阵的转置向量。
16.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明基于对离焦度与相位的数学分析提出了离焦相位函数的概念，该离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；本发明在待测物体上投影不同条纹宽度的二值条纹，并拍照以采集对应条纹图像，对该条纹图像进行相位解调以得到包裹相位，进而根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数以获取参考相位，基于得到的参考相位进行相位解包裹，从而得到用于重建三维点云的绝对相位；本发明与依赖相位精度的多频外差法不同，不会受到相位误差大小的影响，在深度大幅度变化导致相位误差增大的场景下能够实现高精度的三维测量。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1为本发明一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图；图2为本发明一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置的原理框图；
图3为本发明另一个可选实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
19.附图标记：1
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获取模块；2-包裹相位求解模块；3-相位解包裹模块；4-三维测量模块。
具体实施方式
20.本发明实施例提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法及装置，用于解决现有相位解包裹方法因容易受到包裹相位误差的影响而难以实现高精度的三维测量的技术问题。
21.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
23.请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
24.本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：步骤s1，获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系。
25.其中，投影仪可以基于下式生成不同条纹宽度的二值条纹，进而投影至待测物体：式中，为二值条纹的像素坐标，表示正弦条纹图案，为正弦条纹图案经过二值化生成的二值条纹，为图案序号，为相移参数，，为投影的二值条纹数量，为条纹宽度，为不同条纹宽度的二值条纹中的灰度最大值。
26.通过本实施例，可以较快速地生成所需的二值条纹。
27.二值条纹可以写成如下的余弦级数形式：式中，为余弦级数序号，为调制相位。
28.二值条纹通过投影的离焦效应模糊变成正弦条纹。离焦对投影条纹的影响可以近似于高斯滤波。由于空间域的卷积相当于频域相乘。离焦后的二值条纹可以用下式表达：式中，表示离焦后的二值条纹，为离焦前的二值条纹，为点扩散函数的标准
差，是投影的离焦程度。
29.通过引入调制度衰减系数，可以把离焦后的二值条纹变换为：式中，表示图案序号，表示离焦后的二值条纹，为图案像素坐标，为调制度衰减系数。
30.其中，调制度衰减系数与离焦度的关系为：式中，为离焦度，其值为点扩散函数的标准差，为条纹宽度。
31.步骤s2，基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位。
32.其中，基于n步相移法计算包裹相位的过程可以参考现有技术中的计算过程，本发明实施例不限定于此。
33.所述对应的条纹图像是二值条纹经过投影的离焦、物体反射以及相机响应得到的。所述对应的条纹图像可表达为：式中，为采集的条纹图像，为外部光强，、是直流分量以及谐波信号的响应参数，是相机的随机噪声。
34.在没有获取到已标定好的离焦相位函数时，需要在投影前对离焦相位函数进行标定，进而基于标定好的离焦相位函数，利用投影仪或者其他可实施发投影设备将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，进而由相机获取条纹图像。
35.离焦相位函数的标定过程可为：使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用n步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
36.在一种能够实现的方式中，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：式中，、、为在所述平面相对于所述投影仪的不同高度下记录的像素坐标下的离焦度，为不同高度下的平面总数，、、为记录的像素坐标下的对应归一化参考相位，、用于表示对应的矩阵，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数；
按照下式标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数：式中，为矩阵的转置向量。
37.本发明上述实施例，离焦相位函数的标定操作简单便捷，能够获取到准确的离焦相位函数的系数，进而为后续计算绝对相位奠定良好的基础。
38.步骤s3，根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位。
39.二值条纹的调制度可以根据现有技术的调制度计算公式进行获取，本发明不限定于此。
40.在一种能够实现的方式中，所述根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，包括：根据下式求解离焦度：式中，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，值等于二值条纹总数，为待求解的离焦度，表示所述第1个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度。
41.本发明实施例，给出了调制度与离焦度的关系式，有益于提高离焦度的计算效率，在整体上有益于提高三维测量的效率。
42.为获取离焦相位函数的表达式，可以对离焦度与相位的函数关系进行如下的推导分析。
43.根据相机的成像原理，可以建立三维坐标与二维坐标的关系如下：式中，是相机的像素坐标，是投影仪的像素坐标，是世界坐标下的三维坐标。为相机的外参，为投影仪的外参，为相机的内参，为投影仪的内参，为相机与待测物体的距离，为投影仪与待测物体的距离；推导获取投影仪的像素坐标与成像距离之间的关系为：变换为：
进一步变换为：进一步推导得到：式中，表示归一化后的绝对相位，是dmd调制方向的微振镜数量，、为相位与物距函数的待定系数。
44.从光学的角度分析离焦度与物距之间的关系，离散圆和镜片直径形成相似三角形，因此离散圆半径的表达式为：式中，为离散圆半径，为聚焦面的距离，表示物距，为离焦度；则离焦度与物距之间的关系式为：可进一步推导得到离焦相位函数的公式：式中，是相机的像素坐标，表示在像素坐标下的归一化参考相位，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数，为在像素坐标下的离焦度；在一种能够实现的方式中，将计算得到的离焦度代入该离焦相位函数，可以求解得到对应的归一化参考相位。
45.进一步地，基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：式中，表示绝对相位，表示包裹相位，表示条纹图像的条纹级次，表示投影坐标的最大值，表示条纹宽度，为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
46.该投影坐标的最大值，即为投影仪的液晶显示器（lcd）或微机电系统显示器（dmd）中像素单方向总数。例如显示器的分辨率为1280
×
800,则=1280。
47.步骤s4，根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
48.本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例所述的基于
离焦度解包裹的结构光三维测量方法；处理器，用于执行所述存储器中的指令。
49.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施例所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
50.本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，该装置可以用于实施如上任意一项实施例所述的基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
51.请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置的原理框图。
52.本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量装置，包括：获取模块1，用于获取由相机在不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体后采集到的对应条纹图像，以及，获取在所述二值条纹离焦投影至待测物体前已标定好的离焦相位函数，所述离焦相位函数用于表示离焦度与相位的函数关系；包裹相位求解模块2，用于基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；相位解包裹模块3，用于根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入所述离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；三维测量模块4，用于根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
53.在一种能够实现的方式中，所述相位解包裹模块3包括：离焦度求解单元，用于根据下式求解离焦度：式中，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第1个二值条纹的条纹宽度，示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，表示所述不同条纹宽度的二值条纹中第个二值条纹的条纹宽度，值等于二值条纹总数，为待求解的离焦度，表示所述第1个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度，表示所述第个二值条纹的调制度。
54.在一种能够实现的方式中，所述相位解包裹模块3包括：归一化参考相位计算单元，用于将计算得到的离焦度代入下列离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位：式中，是相机的像素坐标，表示在像素坐标下的归一化参考相位，、和为离焦相位函数在像素坐标下的系数，为
在像素坐标下的离焦度；绝对相位求解单元，用于基于求解的归一化参考相位，按照下式进行相位解包裹，得到绝对相位：式中，表示绝对相位，表示包裹相位，表示条纹图像的条纹级次，表示投影坐标的最大值，表示条纹宽度，为函数，表示四舍五入到最接近的整数。
55.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述地方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，上述描述的装置和模块的具体有益效果，可以参考前述方法实施例中的对应有益效果，在此不再赘述。
56.本发明还提供了一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法。
57.请参阅图3，图3示出了本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法的流程图。
58.本发明实施例提供的一种基于离焦度解包裹的结构光三维测量方法，包括：步骤s10，判断是否已标定离焦相位函数，若是，采用投影仪将不同条纹宽度的二值条纹离焦投影至待测物体，并利用相机拍照以采集对应条纹图像；步骤s20，基于n步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调以得到包裹相位；步骤s30，根据不同条纹宽度的二值条纹的调制度计算离焦度，将计算得到的离焦度代入已标定好的离焦相位函数，求解得到对应的归一化参考相位，基于所述归一化参考相位对所述包裹相位进行相位解包裹，得到绝对相位；步骤s40，根据所述绝对相位，使用三角测距重建三维点云。
59.具体地，所述步骤s20中，可以基于31步相移法对所述对应的条纹图像进行相位解调。
60.在一种能够实现的方式中，所述方法还包括：若未标定离焦相位函数，使用平面作为测量对象，令所述平面处于聚焦面一侧，并不断调整所述平面相对于所述投影仪的高度，使用n步相移法计算相应的绝对相位以作为归一化参考相位；以相机的像素坐标为位置单元，记录不同位置单元下的离焦度与对应的归一化参考相位，构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数。
61.在一种能够实现的方式中，所述构建相应的离焦相位函数的具体表达式，基于所述具体表达式，通过最小二乘法标定每个像素坐标下的离焦相位函数的系数，包括：构建相应的离焦相位函数的具体表达式为：
memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
68.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。