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基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法

文檔序號:6250174閱讀:309來源:國知局
基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法,其特征在于,包括:步驟1,將編碼光柵投射到待測物體表面;步驟2,從兩個不同角度分別獲取待測物體表面的圖像;步驟3,根據(jù)光柵相移法和極線約束,對兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點云數(shù)據(jù);步驟4,根據(jù)點云數(shù)據(jù)重構(gòu)待測物體的三維形狀。本發(fā)明的方法對相對平滑的物體進(jìn)行不接觸,可以主動式、實時、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測量與重建。
【專利說明】基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維測量領(lǐng)域,特別是涉及一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]三維物體的重建工作越來越多地出現(xiàn)在人民的生產(chǎn)生活中,而三維測量是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),只有準(zhǔn)確測量出物體的三維形狀,才能實現(xiàn)三維物體的重建。由于物體表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,只能采用非接觸測量法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種可主動式、實時、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測量與重建的基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問題,作為本發(fā)明的一個方面,提供了一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法,其特征在于,包括:步驟1,將編碼光柵投射到待測物體表面;步驟2,從兩個不同角度分別獲取待測物體表面的圖像;步驟3,根據(jù)光柵相移法和極線約束,對兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點云數(shù)據(jù);步驟4,根據(jù)點云數(shù)據(jù)重構(gòu)待測物體的三維形狀。
[0005]進(jìn)一步地,編碼光柵為經(jīng)過編碼的條紋結(jié)構(gòu)光。
[0006]進(jìn)一步地,編碼光棚所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。
[0007]進(jìn)一步地,多次投射編碼圖案,且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。
[0008]進(jìn)一步地,步驟2中獲得的圖像為編碼光柵使用的編碼圖案被投射到待測物體表面時,被表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像,將變形光柵圖像由下式表示:
I (x,y)=R (χ,y) X { A (x, y) + B (χ, y) X cos [ Ψ (χ, y)]}
其中,
I (x,y)為變形光柵圖像的光譜強度;
R (χ,y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量;
A (X,y)為背景強度;
B (x,y)為條紋的對比度;
Ψ (X,y)為條紋的變形,其與物體三維面形分布z=h(x,y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O),
其中,I為工業(yè)相機光心到參考面的距離,d為投影裝置光心與工業(yè)相機光心的距離,λ C1是光柵節(jié)距,ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值,ΘΑ為通過畸變的光柵圖像得到的相位值。
[0009]進(jìn)一步地,步驟3中,利用極線約束將兩個圖像中的被測物體的邊緣部分進(jìn)行匹配,從而找到兩個圖像之間的像點與被測點之間的對應(yīng)關(guān)系,從而獲得點云數(shù)據(jù)。
[0010]進(jìn)一步地,步驟4采用OPENGL和C++編程實現(xiàn)三維物體重建。[0011 ] 本發(fā)明的方法對相對平滑的物體進(jìn)行不接觸,可以主動式、實時、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測量與重建。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明中的三維測量系統(tǒng)組成圖。
[0013]圖2是本發(fā)明中的測量原理圖。
[0014]圖3是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)光經(jīng)物體表面調(diào)制。
[0015]圖4是雙目視覺中的極線與極平面。
[0016]圖5是本發(fā)明處理方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明,但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0018]請參考圖1至圖4,本發(fā)明提供了一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法,包括:
步驟I,將編碼光柵5投射到待測物體I表面,優(yōu)選地,所述編碼光柵5為經(jīng)過編碼的條紋結(jié)構(gòu)光;例如,可以采用一臺高亮度投影儀3將編碼光柵5投射到待測物體I的表面。
[0019]在圖2所示的實施例,A為紅色通道強度變化模式,B為綠色通道強度變化模式,C為藍(lán)色通道強度變化模式,三者疊加形成如D所示的復(fù)合三色鋸齒形圖案。
[0020]步驟2,從兩個不同角度分別獲取所述待測物體表面的圖像;例如,可以采用兩臺同步高分辨工業(yè)相機2拍攝上述圖像。在一個實施例中,兩臺工業(yè)相機2通過1394線和1394卡連接到電腦4上,高亮度投影儀3經(jīng)由USB插口連接到電腦4上。優(yōu)選地,所述工業(yè)相機2的分辨率為2048X 1536,幀率為lOfps。在電腦4的控制下,編碼光柵5由投影儀3依次投影到被測物體I上,再由工業(yè)相機2依次拍攝條紋圖像。
[0021]步驟3,根據(jù)光柵相移法和極線約束,對所述兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點云數(shù)據(jù);
步驟4,根據(jù)所述點云數(shù)據(jù)重構(gòu)所述待測物體的三維形狀。
[0022]本發(fā)明的方法對相對平滑的物體進(jìn)行不接觸,可以主動式、實時、低成本、精確地進(jìn)行三維物體的測量與重建。
[0023]優(yōu)選地,所述編碼光柵所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。優(yōu)選地,多次投射所述編碼圖案,且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。這樣,分割區(qū)域的數(shù)目與投影圖案的幅數(shù)的關(guān)系式為2n。將所得的條紋圖像進(jìn)行二值化處理,白色條紋區(qū)域的像素標(biāo)記為“1”,黑色條紋區(qū)域的像素標(biāo)記為“O”。
[0024]由于本發(fā)明攝像機分辨率為2048X1536,投影儀的分辨率為1024X768。根據(jù)采樣定理,攝像機和投影儀的采樣頻率域投影儀對物體表面的區(qū)域劃分頻率之比應(yīng)大于2,采用橫向分割物體表面區(qū)域的方法,采用的采樣頻率最大值應(yīng)為投影儀的橫向分辨率1024。故投影編碼條紋圖案數(shù)量N的計算式為:1024/2N ^ 2,得到N ( 9,故此選用9幅圖案。經(jīng)過9次投影與處理后,圖像中的每一個像素獲得一個9位的二進(jìn)制編碼,從“000000000”到“111111111”。
[0025]當(dāng)正弦光柵圖被投射到三維物體表面時,光場被待測物體表面所調(diào)制,此時,兩臺高分辨率工業(yè)相機將抓取被測物體的表面圖案,并把獲得的圖案和自身位置傳遞給電腦。在一個實施例中,優(yōu)選地,所述步驟2中獲得的圖像為所述編碼光柵使用的編碼圖案被投射到所述待測物體表面時,被所述表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像,將所述變形光柵圖像由下式表示:
I (x,y)=R (χ,y) X { A (x, y) + B (x, y) X cos [ Ψ (x, y)]}
其中,
I (x,y)為變形光柵圖像的光譜強度;
R (χ,y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量;
A (X,y)為背景強度;
B (x,y)為條紋的對比度;
Ψ (X,y)為條紋的變形,其與物體三維面形分布z=h(x,y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O),
其中,I為工業(yè)相機光心到參考面的距離,d為投影裝置光心與工業(yè)相機光心的距離,λ C1是光柵節(jié)距,ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值,ΘΑ為通過畸變的光柵圖像得到的相位值。
[0026]優(yōu)選地,所述步驟3中,利用極線約束將所述兩個圖像中的被測物體的邊緣部分進(jìn)行匹配,從而找到所述兩個圖像之間的像點與被測點之間的對應(yīng)關(guān)系,從而獲得所述點云數(shù)據(jù)。其中,這些邊緣部分反映了三維物體的外部形狀。
[0027]在圖4中,PL為左圖像平面,PR為圖像平面,L為極線,E為極平面,B為基線。請參考圖4,在一個優(yōu)選的實施例中,采用下述原理進(jìn)行匹配:
可以采用基本矩陣表示匹配點對之間對應(yīng)關(guān)系,基本矩陣包含了攝像機的內(nèi)參和外參信息。通用的基礎(chǔ)矩陣表示形式為F=Kt [tlXRK—1,其中:K為攝像機內(nèi)參數(shù)陣,R,t分別為攝像機的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矢量。基本矩陣是攝像機標(biāo)定、匹配和跟蹤、三維重建的基礎(chǔ),獲得基本矩陣為計算外極線的關(guān)鍵步驟。
[0028]為了獲得基本矩陣,首先,建立初始化標(biāo)記的左右兩幅圖像上的對應(yīng)匹配點集合為{P1,P2,P3,-, Pn)和{P1,,P2,,P3,,…,Pn’),然后根據(jù)式(I)計算基本矩陣F。
[0029]PiW^P/ =0, (i=l,…η)(I)
利用基本矩陣得到與左側(cè)圖像IL中的一個點Pl相對應(yīng)的右側(cè)圖像IR中的外極線12,例如,可按式(2)得到外極線12:
12=F*P1,其中F為基本矩陣;(2)
同理,利用基本矩陣得到與右側(cè)圖像IR中的一個點P2相對應(yīng)的左側(cè)圖像IL中的外極線11,例如,可按式(3)得到外極線11:
11=F*P2(3)
進(jìn)一步地,如果IR中的任意一點P2在圖像IL中的對應(yīng)點為P1,則Pl —定在11上,并且滿足
P1T*FT*P2=0(4)
每條極線可用三個參數(shù)a,b,c表示,即 a氺u+b氺v+c=0(5) 根據(jù)上述極線參數(shù),可將邊緣部分檢測從二維搜索變?yōu)橐痪S搜索。由圖4可知,被測物體的某一邊緣點分別成像于左右兩個像平面。如,確定某點P在左像平面的像點為匕,則需要在右像平面中尋找Ρκ,是一種二維搜索。利用極限約束可知,通過上面的公式(3),Pe-定位于右像平面和極平面的交叉線,即極線之上,則變成了一維搜索。
[0030]通過上述方式,可進(jìn)行快速匹配。由以上理論獲取極線參數(shù)后,邊緣檢測從二維搜索變?yōu)橐痪S。同時,利用分區(qū)子圖方法,設(shè)定更小的范圍,從而以較快的速度確定對應(yīng)點。[0031 ] 優(yōu)選地,所述步驟4采用OPENGL和C++編程實現(xiàn)三維物體重建。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于投影柵相位法的結(jié)構(gòu)光三維形狀構(gòu)建方法,其特征在于,包括: 步驟I,將編碼光柵投射到待測物體表面; 步驟2,從兩個不同角度分別獲取所述待測物體表面的圖像; 步驟3,根據(jù)光柵相移法和極線約束,對所述兩張圖像進(jìn)行處理從而得到點云數(shù)據(jù); 步驟4,根據(jù)所述點云數(shù)據(jù)重構(gòu)所述待測物體的三維形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述編碼光柵為經(jīng)過編碼的條紋結(jié)構(gòu)光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述編碼光柵所使用的編碼圖案為明暗相間的黑白條紋圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,多次投射所述編碼圖案,且后一次投射的黑白條紋圖案的條紋密度是前一次的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟2中獲得的圖像為所述編碼光柵使用的編碼圖案被投射到所述待測物體表面時,被所述表面調(diào)制后得到的變形光柵圖像,將所述變形光柵圖像由下式表示:
I (x,y)=R (X,y) X { A (x, y) + B (x, y) X cos [ Ψ (x, y)]} 其中, I (x,y)為變形光柵圖像的光譜強度; R (X,y)為與物體表面光學(xué)特性有關(guān)的物理量; A (X,y)為背景強度; B (x,y)為條紋的對比度; Ψ (X,y)為條紋的變形,其與物體三維面形分布z=h(x,y)之間滿足以下關(guān)系式:
Z = I* ( θ Α- Θ B) / ( ( θ Α- Θ B) +2 JI *d/ 入 O), 其中,I為工業(yè)相機光心到參考面的距離,d為投影裝置光心與工業(yè)相機光心的距離,λ C1是光柵節(jié)距,ΘΒ為光柵在參考面上的基準(zhǔn)相位值,ΘΑ為通過畸變的光柵圖像得到的相位值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟3中,利用極線約束將所述兩個圖像中的被測物體的邊緣部分進(jìn)行匹配,從而找到所述兩個圖像之間的像點與被測點之間的對應(yīng)關(guān)系,從而獲得所述點云數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟4采用OPENGL和C++編程實現(xiàn)三維物體重建。
【文檔編號】G01B11/25GK104390608SQ201410692654
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】耿德品, 隋毅, 薛士枚 申請人:上海江南長興造船有限責(zé)任公司
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