一种三维测量方法及相关装置

1.本技术涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种三维测量方法及相关装置。


背景技术：

2.结构光测量技术具有非接触、全场无损耗测量、高精度、速度快等优点,已在工业检测、机器视觉、文物数字化、医学等领域得到大量运用。在现有的结构光测量系统中，由一个相机和一个投影仪组成的结构光三维测量系统，因具有结构简单、点云重建效率高等优点而被广泛使用。典型的单相机结构光三维测量系统在测量过程中由投影装置把编码条纹图案投影到待测物体表面，同时使用相机拍摄经待测物体高度调制而发生变形的光栅图像，然后通过对变形的条纹图像进行处理，计算出代表物体高度的相位信息，最后根据相位信息和已标定出的系统参数，利用三角原理获得待测物体的三维信息。
3.现有技术在编码结构光常采用空间编码方法和时间编码，空间编码投影图案少，可用于动态场景测量，但空间分辨率相对较低。时间编码能获得较高的空间分辨率和测量精度，但需投影多幅图案，适用于静态场景。常用的时间编码方法有正弦相移编码法，该编码方法采样密度高，求解绝对相位时需要进行大量正切及反正切计算，处理速度慢。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种三维测量方法及相关装置，用于改善现有的空间编码方法存在求解绝对相位的准确性较低，以及时间编码方法存在处理速度慢的技术问题。
5.有鉴于此，本技术第一方面提供了一种三维测量方法，包括：将各锯齿条纹图像中锯齿条纹的级次总数转换为格雷码，并根据所述格雷码中各位码值获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数；将所述锯齿斜率系数融合到所述锯齿条纹图像中生成若干幅融合格雷码的目标锯齿条纹图案；所述目标锯齿条纹图案为：；式中，in(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案，(u,v)为像素点坐标，a(u,v)为均值强度，b(u,v)为调制强度，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，kn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的斜率，为目标锯齿条纹图案调制的相位，mod(
·
)为求余函数，t为锯齿条纹图像单周期条纹的像素数，bn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的基础偏移量；通过投影仪将各所述目标锯齿条纹图案投影到待测物体表面，通过相机采集所述待测物体表面变形的目标锯齿条纹图案，得到锯齿条纹采集图案；根据各所述锯齿条纹采集图案中相邻像素的差分性质，求解各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码；
通过各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码和各所述锯齿条纹采集图案求解在各像素点的条纹级次和包裹相位；根据在各像素点的所述条纹级次和所述包裹相位计算在各像素点的绝对相位；基于在各像素点的所述绝对相位，通过三角测距重建三维点云，得到所述待测物体的三维模型。
6.可选的，所述根据所述格雷码中各位码值获取锯齿条纹的锯齿斜率系数，包括：根据所述格雷码中各位码值，通过转换公式获取锯齿条纹的锯齿斜率系数，所述转换公式为：；式中，(u,v)为像素坐标，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，dtog[
·
,n]为级次总数从十进制数转换为格雷码的第n位的码值，floor(
·
)为取整函数。
[0007]
可选的，所述根据各所述锯齿条纹采集图案中相邻像素的差分性质，求解各所述锯齿条纹采集图案的格雷码，包括：根据各所述锯齿条纹采集图案相邻像素的差分性质，获取各所述锯齿条纹采集图案各像素点的差分结果；对各所述锯齿条纹采集图案各像素点的差分结果进行二值化，得到各所述锯齿条纹采集图案在各像素点处融合的格雷码。
[0008]
可选的，所述通过各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码和各所述锯齿条纹采集图案求解在各像素点的条纹级次和包裹相位，包括：将各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码转换为十进制，得到各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的条纹级次；根据各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码获取各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的锯齿斜率系数；结合各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的锯齿斜率系数和各所述锯齿条纹采集图案组成方程组，通过求解所述方程组，得到在像素点处的包裹相位。
[0009]
可选的，所述绝对相位的计算公式为：；式中，u(x,y)为在像素点(x,y)处的绝对相位，为在像素点(x,y)处的包裹相位，k(x,y)为在像素点(x,y)处的条纹级次。
[0010]
本技术第二方面提供的一种三维测量系统，包括：处理器、投影仪和相机；所述处理器，用于将各锯齿条纹图像中锯齿条纹的级次总数转换为格雷码，并根
据所述格雷码中各位码值获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数；将所述锯齿斜率系数融合到所述锯齿条纹图像中生成若干幅融合格雷码的目标锯齿条纹图案；所述目标锯齿条纹图案为：；式中，in(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案，(u,v)为像素点坐标，a(u,v)为均值强度，b(u,v)为调制强度，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，kn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的斜率，为目标锯齿条纹图案调制的相位，mod(
·
)为求余函数，t为锯齿条纹图像单周期条纹的像素数，bn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的基础偏移量；所述投影仪，用于将各所述目标锯齿条纹图案投影到待测物体表面；所述相机，用于采集所述待测物体表面变形的目标锯齿条纹图案，得到锯齿条纹采集图案；所述处理器，还用于根据各所述锯齿条纹采集图案中相邻像素的差分性质，求解各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码；通过各所述锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码和各所述锯齿条纹采集图案求解在各像素点的条纹级次和包裹相位；根据在各像素点的所述条纹级次和所述包裹相位计算在各像素点的绝对相位；基于在各像素点的所述绝对相位，通过三角测距重建三维点云，得到所述待测物体的三维模型。
[0011]
可选的，所述绝对相位的计算公式为：；式中，u(x,y)为在像素点(x,y)处的绝对相位，为在像素点(x,y)处的包裹相位，k(x,y)为在像素点(x,y)处的条纹级次。
[0012]
本技术第三方面提供了一种三维测量设备，所述设备包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面任一种所述的三维测量方法。
[0013]
本技术第四方面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用于存储程序代码，所述程序代码被处理器执行时实现第一方面任一种所述的三维测量方法。
[0014]
从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：本技术提供了一种三维测量方法，通过将锯齿条纹的级次总数编码为格雷码，进而获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数，通过将各锯齿条纹的锯齿斜率系数融合到锯齿条纹图案生成若干幅融合了格雷码的目标锯齿条纹图案，由于每个周期条纹中都融入了格雷码用于条纹级次的解算，在投影图案时不需要投影大量的目标锯齿条纹图案，相比常规的时间相位展开方法可以减少投影时间和解算时间；并且是通过锯齿条纹采集图案相邻像素的差分性质完成格雷码的解算，逐像素求解绝对相位，保证了条纹级次的解算精度，相比常规的
空间相位展开方法可以提高求解绝对相位的准确性和可靠性，并且在求解过程中不需要进行正切和反正切计算，进一步提高了求解速度，从而提高了三维重建效率，改善了现有的空间编码方法存在求解绝对相位的准确性较低，以及时间编码方法存在处理速度慢的技术问题。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
[0016]
图1为本技术实施例提供的一种三维测量方法的一个流程示意图；图2为本技术实施例提供的一种绝对相位求解过程的一个可视化图。
具体实施方式
[0017]
本技术提供了一种三维测量方法及相关装置，用于改善现有的空间编码方法存在求解绝对相位的准确性较低，以及时间编码方法存在处理速度慢的技术问题。
[0018]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0019]
为了便于理解，请参阅图1，本技术实施例提供了一种三维测量方法，包括：步骤101、将各锯齿条纹图像中锯齿条纹的级次总数转换为格雷码，并根据格雷码中各位码值获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数。
[0020]
将各锯齿条纹图像中锯齿条纹的级次总数由十进制转换为格雷码，然后根据格雷码中各位码值获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数，利用格雷码每一位码值为0或1的特点，用格雷码的码值表示锯齿条纹的锯齿斜率的正负，当格雷码某位码值为0，则配置该位码值对应的锯齿斜率系数为正，当格雷码的某位码值为1，则配置该位码值对应的锯齿斜率系数为负。具体的，根据格雷码中各位码值，通过转换公式获取锯齿条纹的锯齿斜率系数，转换公式为：；式中，(u,v)为像素点坐标，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，dtog[
·
,n]为级次总数从十进制数转换为格雷码的第n位的码值，floor(
·
)为取整函数，t为锯齿条纹图像单周期条纹的像素数。
[0021]
步骤102、通过锯齿斜率系数和锯齿条纹图像生成若干幅融合格雷码的目标锯齿条纹图案。
[0022]
通过锯齿斜率系数和锯齿条纹图像生成n幅融合格雷码的目标锯齿条纹图案，可以参考图2提供的一种融合格雷码的锯齿条纹图案。将锯齿条纹的级次总数转化为格雷码后，再把格雷码融入到锯齿条纹图案中，实现条纹级次的编码，得到目标锯齿条纹图案。对于锯齿条纹的每一个周期条纹都融入一位格雷码码值，n幅目标锯齿条纹图案的同一个条纹周期对应一个n位格雷码。目标锯齿条纹图案可以表示为：；式中，in(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案，(u,v)为像素点坐标，a(u,v)为均值强度，b(u,v)为调制强度，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，kn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的斜率，为目标锯齿条纹图案调制的相位，mod(
·
)为求余函数，bn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的基础偏移量。
[0023]
步骤103、通过投影仪将各目标锯齿条纹图案投影到待测物体表面，通过相机采集待测物体表面变形的目标锯齿条纹图案，得到锯齿条纹采集图案。
[0024]
通过投影仪将各目标锯齿条纹图案投影到待测物体表面，通过相机采集待测物体表面变形的目标锯齿条纹图案，得到锯齿条纹采集图案。锯齿条纹采集图案可以表示为：；式中，i'n(x,y)为第n幅锯齿条纹采集图案，a'(x,y)为锯齿条纹采集图案在像素点(x,y)的均值强度，b'(x,y)为锯齿条纹采集图案在像素点(x,y)的调制强度，g'n(x,y)为第n幅锯齿条纹采集图案在像素点(x,y)的锯齿斜率系数，k'n(x,y)为第n幅锯齿条纹采集图案的锯齿条纹在像素点(x,y)的斜率，为锯齿条纹采集图案的锯齿条纹的包裹相位，b'n(x,y)为第n幅锯齿条纹采集图案的锯齿条纹在像素点(x,y)的基础偏移量。
[0025]
步骤104、根据各锯齿条纹采集图案中相邻像素的差分性质，求解各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码。
[0026]
根据各锯齿条纹采集图案相邻像素的差分性质，获取各锯齿条纹采集图案各像素点的差分结果g
nsub
(x, y)，即：；对各锯齿条纹采集图案各像素点的差分结果进行二值化，得到各锯齿条纹采集图案在各像素点处融合的格雷码，即：。
[0027]gn
(x, y)为第n幅锯齿条纹采集图案在像素点(x,y)处融合的格雷码，除了可能在锯齿条纹的周期边缘处发生跳变，其余相邻像素融合的格雷码是相等的，m为设定的阈值，用于识别锯齿条纹周期边缘处的跳变。
[0028]
本技术实施例中，在进行格雷码的解算时，只需要参考相邻像素的灰度值，保证了条纹级次的解算精度。
[0029]
步骤105、通过各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码和各锯齿条纹采集图案求解在各像素点的条纹级次和包裹相位。
[0030]
将各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码转换为十进制，得到各锯齿条纹采集图案在各像素点的条纹级次k(x, y)，即：；式中，gtod[
·
]为将格雷码转换为十进制数的函数；根据各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码获取各锯齿条纹采集图案在各像素点的锯齿斜率系数，即：；结合各锯齿条纹采集图案在各像素点的锯齿斜率系数和各锯齿条纹采集图案组成方程组，通过求解方程组，得到包裹相位。方程组为：；令，，则可以求解得到，进而求解得到在各像素点的包裹相位。
[0031]
步骤106、根据在各像素点的条纹级次和包裹相位计算在各像素点的绝对相位。
[0032]
根据在各像素点的条纹级次和包裹相位，通过绝对相位计算公式计算在各像素点的绝对相位。可以参考图2中求解绝对相位过程中的各个可视化图。
[0033]
其中，绝对相位计算公式为：
；式中，u(x,y)为在像素点(x,y)处的绝对相位，为在像素点(x,y)处的包裹相位，k(x,y)为在像素点(x,y)处的条纹级次，t为锯齿条纹图像单周期条纹的像素数。
[0034]
步骤107、基于在各像素点的绝对相位，通过三角测距重建三维点云，得到待测物体的三维模型。
[0035]
在计算得到代表物体各点高度的相位信息后，根据相位信息和相机的标定参数，通过三角测距可以重建三维点云，得到待测物体的三维模型。具体重建过程属于现有技术，在此不再进行赘述。
[0036]
本技术实施例中，通过将锯齿条纹的级次总数编码为格雷码，进而获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数，通过将各锯齿条纹的锯齿斜率系数融合到锯齿条纹图案生成若干幅融合了格雷码的目标锯齿条纹图案，由于每个周期条纹中都融入了格雷码用于条纹级次的解算，在投影图案时不需要投影大量的目标锯齿条纹图案，相比常规的时间相位展开方法可以减少投影时间和解算时间；并且是通过锯齿条纹采集图案相邻像素的差分性质完成格雷码的解算，逐像素求解绝对相位，保证了条纹级次的解算精度，相比常规的空间相位展开方法可以提高求解绝对相位的准确性和可靠性，并且在求解过程中不需要进行正切和反正切计算，进一步提高了求解速度，从而提高了三维重建效率，改善了现有的空间编码方法存在求解绝对相位的准确性较低，以及时间编码方法存在处理速度慢的技术问题。
[0037]
以上为本技术提供的一种三维测量方法的一个实施例，以下为本技术提供的一种三维测量系统的一个实施例。
[0038]
本技术实施例提供的一种三维测量系统，包括：处理器、投影仪和相机；处理器，用于将各锯齿条纹图像中锯齿条纹的级次总数转换为格雷码，并根据格雷码中各位码值获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数；将锯齿斜率系数融合到锯齿条纹图像中生成若干幅融合格雷码的目标锯齿条纹图案；目标锯齿条纹图案为：；式中，in(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案，(u,v)为像素点坐标，a(u,v)为均值强度，b(u,v)为调制强度，gn(u,v)为第n幅锯齿条纹图像的锯齿条纹的锯齿斜率系数，kn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的斜率，为目标锯齿条纹图案调制的相位，mod(
·
)为求余函数，t为锯齿条纹图像单周期条纹的像素数，bn(u,v)为第n幅目标锯齿条纹图案的锯齿条纹的基础偏移量；投影仪，用于将各目标锯齿条纹图案投影到待测物体表面；相机，用于采集待测物体表面变形的目标锯齿条纹图案，得到锯齿条纹采集图案；处理器，还用于根据各锯齿条纹采集图案中相邻像素的差分性质，求解各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码；通过各锯齿条纹采集图案在各像素点的格雷码和各锯齿条纹采集图案求解在各像素点的条纹级次和包裹相位；根据在各像素点的条纹级次和包裹
相位计算在各像素点的绝对相位；基于在各像素点的绝对相位，通过三角测距重建三维点云，得到待测物体的三维模型。
[0039]
作为进一步地改进，绝对相位的计算公式为：；式中，u(x,y)为在像素点(x,y)处的绝对相位，为在像素点(x,y)处的包裹相位，k(x,y)为在像素点(x,y)处的条纹级次。
[0040]
本技术实施例中，通过将锯齿条纹的级次总数编码为格雷码，进而获取各锯齿条纹的锯齿斜率系数，通过将各锯齿条纹的锯齿斜率系数融合到锯齿条纹图案生成若干幅融合了格雷码的目标锯齿条纹图案，由于每个周期条纹中都融入了格雷码用于条纹级次的解算，在投影图案时不需要投影大量的目标锯齿条纹图案，相比常规的时间相位展开方法可以减少投影时间和解算时间；并且是通过锯齿条纹采集图案相邻像素的差分性质完成格雷码的解算，逐像素求解绝对相位，保证了条纹级次的解算精度，相比常规的空间相位展开方法可以提高求解绝对相位的准确性和可靠性，并且在求解过程中不需要进行正切和反正切计算，进一步提高了求解速度，从而提高了三维重建效率，改善了现有的空间编码方法存在求解绝对相位的准确性较低，以及时间编码方法存在处理速度慢的技术问题。
[0041]
本技术实施例还提供了一种三维测量设备，设备包括处理器以及存储器；存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行前述方法实施例中的三维测量方法。
[0042]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码被处理器执行时实现前述方法实施例中的三维测量方法。
[0043]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0044]
本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0045]
应当理解，在本技术中，“至少一个（项）”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0046]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前
述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围。