本發(fā)明涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光場三維成像方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于條紋投影的光學(xué)三維成像是一種非接觸式、全場測量的方法，以其高成像密度、高成像速度和高成像精度而得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的條紋投影三維成像方法一次采集只能獲取一個特定方向的三維數(shù)據(jù)。隨著條紋投影三維成像方法應(yīng)用范圍的擴展，單視點三維成像已經(jīng)難以滿足針對特殊物體、特殊性能的三維成像要求。因此，亟需發(fā)展一次采集、多方向三維成像的光學(xué)成像方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)光場三維成像方法及其系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的條紋投影三維成像方法單視點成像的局限性問題，以實現(xiàn)一次采集、多方向結(jié)構(gòu)光場三維成像。

本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)光場三維成像方法，所述方法包括：

獲取結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置所記錄的結(jié)構(gòu)光場，求解所述結(jié)構(gòu)光場的相位；

將求解得到的所述結(jié)構(gòu)光場的相位與參考面相位進行比較以獲取二者相位差，利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值；

利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像。

優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)光場為在結(jié)構(gòu)照明條件下記錄的光線的光場，該光場記錄了受場景深度調(diào)制的結(jié)構(gòu)光信息，所述結(jié)構(gòu)光信息包括調(diào)制相位信息和光線方向信息，所述結(jié)構(gòu)光場的參考面為所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的測量空間中的一個基準(zhǔn)平面，被測物體位于所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)與所述基準(zhǔn)平面之間。

優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)光場表示為：

L(u,s)＝R^a(u,s)+R^b(u,s)cosφ，其中，R^a(u,s)和R^b(u,s)分別表示所述結(jié)構(gòu)光場的背景強度和條紋調(diào)制強度，u表示光線l_us的方向，s表示光線l_us的位置，L表示光線的輻射強度，φ是經(jīng)場景深度調(diào)制的相位。

優(yōu)選的，所述利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值表示為：

其中，d_us是對應(yīng)于光線l_us的深度值，m_us和n_us是結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射系數(shù)，Δφ是場景的調(diào)制相位和參考面相位的相位差。

優(yōu)選的，所述利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像的步驟包括：

在所記錄的結(jié)構(gòu)光場的光線方向中選取一個特定的光線方向u_i；

從所有光線的深度信息中選取方向為u_i的光線的深度信息，得到該選取方向的場景深度估計，并建立三維成像模型

重復(fù)上述兩個步驟，得到不同方向的三維成像模型以完成構(gòu)建多方向三維成像，其中，N是光場的角度分辨率。

優(yōu)選的，在所述獲取結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置所記錄的結(jié)構(gòu)光場的步驟之前，所述方法還包括：

利用計算機生成標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋投影圖案，并由所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的投影裝置投射到待測物體表面，經(jīng)所述待測物體表面調(diào)制的變形條紋由所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置進行記錄；

其中，利用計算機生成標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋投影圖案表示為：I(X)＝A+Bcos(2πfX)，I是條紋投影圖的歸一化強度，A和B分別是用戶設(shè)計的條紋背景強度和調(diào)制強度，f是條紋投影圖的條紋空間頻率。

優(yōu)選的，在所述利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值的步驟之前，所述方法還包括：標(biāo)定結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)，確定每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)；

其中，標(biāo)定的具體步驟包括：

利用位移平臺控制平面標(biāo)靶移動到相對于參考面深度為d_i的位置，結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置記錄該位置下的結(jié)構(gòu)光場，并計算每條光線相對參考面的相位差值Δφ_us|i；

利用一系列的深度和相位差值(d_i,Δφ_us|i),i＝1,2,…,N擬合出該光線l_us的相位-深度映射系數(shù)(m_us,n_us)，最終生成光線索引的相位-深度映射系數(shù)查找表LUT_us{(m_us,n_us)}。

另一方面，本發(fā)明還提供一種結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)，所述識別系統(tǒng)包括：

結(jié)構(gòu)光照明模塊，用于生成條紋投影圖，由結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的投影裝置投射到物體表面；

光場成像模塊，使用光場數(shù)據(jù)形式記錄在結(jié)構(gòu)光照明下物體表面反射光線的信息，其中，記錄的信息包括光線的方向信息和受深度調(diào)制的相位信息；

相位-深度標(biāo)定模塊，用于標(biāo)定結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)，確定每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)；

三維成像模塊，用于根據(jù)每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)計算每條光線的深度值，以及利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像。

優(yōu)選的，所述三維成像模塊具體包括：

選取子模塊，用于在所記錄的結(jié)構(gòu)光場的光線方向中選取一個特定的光線方向u_i；

建模子模塊，用于從所有光線的深度信息中選取方向為u_i的光線的深度信息，得到該選取方向的場景深度估計，并建立三維成像模型

重復(fù)子模塊，用于重復(fù)上述兩個步驟，得到不同方向的三維成像模型以完成構(gòu)建多方向三維成像，其中，N是光場的角度分辨率。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案結(jié)合光場成像和結(jié)構(gòu)照明獲取結(jié)構(gòu)光場，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)光場中相位和場景深度的映射關(guān)系，提出一種基于光線的結(jié)構(gòu)光場相位-深度映射標(biāo)定和三維成像的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次采集、多方向三維成像，有利于進一步深入研究結(jié)構(gòu)光場三維成像的理論和應(yīng)用，滿足多視角三維數(shù)字成像和測量的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施方式中結(jié)構(gòu)光場三維成像方法流程圖；

圖2為本發(fā)明一實施方式中結(jié)構(gòu)光場三維成像方法的平面原理圖；

圖3為本發(fā)明一實施方式中實驗中石膏像的幾個特定方向的三維成像模型；

圖4為本發(fā)明一實施方式中結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

以下將對本發(fā)明所提供的一種結(jié)構(gòu)光場三維成像方法進行詳細說明。

請參閱圖1，為本發(fā)明一實施方式中結(jié)構(gòu)光場三維成像方法流程圖。

在步驟S1中，獲取結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置所記錄的結(jié)構(gòu)光場，求解所述結(jié)構(gòu)光場的相位。

在本實施方式中，所述結(jié)構(gòu)光場為在結(jié)構(gòu)照明條件下記錄的光線的光場，該光場記錄了受場景深度調(diào)制的結(jié)構(gòu)光信息，所述結(jié)構(gòu)光信息包括調(diào)制相位信息和光線方向信息，所述結(jié)構(gòu)光場的參考面為所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的測量空間中的一個基準(zhǔn)平面，被測物體位于所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)與所述基準(zhǔn)平面之間。

在本實施方式中，在所述獲取結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置所記錄的結(jié)構(gòu)光場的步驟S1之前，所述結(jié)構(gòu)光場三維成像方法還包括：

利用計算機生成標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋投影圖案，并由所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的投影裝置投射到待測物體表面，經(jīng)所述待測物體表面調(diào)制的變形條紋由所述結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置進行記錄；

其中，利用計算機生成標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋投影圖案表示為：I(X)＝A+Bcos(2πfX)，I是條紋投影圖的歸一化強度，A和B分別是用戶設(shè)計的條紋背景強度和調(diào)制強度，f是條紋投影圖的條紋空間頻率。

在本實施方式中，結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置所記錄的所述結(jié)構(gòu)光場表示為：

L(u,s)＝R^a(u,s)+R^b(u,s)cosφ，其中，L(u,s)表示四維光場；u表示光線l_us的方向；s表示光線l_us的位置；L表示光線的輻射強度；φ是經(jīng)場景深度調(diào)制的相位，利用相移法即可求解；R^a(u,s)和R^b(u,s)分別表示結(jié)構(gòu)光場的背景強度和條紋調(diào)制強度，它們都與光線方向有關(guān)。

在步驟S2中，將求解得到的所述結(jié)構(gòu)光場的相位與參考面相位進行比較以獲取二者相位差，利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值。

在本實施方式中，所述利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值表示為：

其中，d_us是對應(yīng)于光線l_us的深度值，m_us和n_us是結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射系數(shù)，Δφ是場景的調(diào)制相位和參考面相位的相位差。

圖2示出了本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的平面原理圖，其中，u-s平行線對表示雙平面參數(shù)化光場，P點表示投影裝置的投影中心，參考平面設(shè)置于Z＝0處。對于光線BC，無物體時記錄了投影線PA在參考面上A點的反射光線；有物體時記錄了投影線PD在物體上D點的反射光線。

在本實施方式中，將求解得到的結(jié)構(gòu)光場相位與參考面相位進行比較，得到二者相位差表示為：

Δφ＝φ_obj-φ_ref＝2πf(X_E-X_A)

其中，φ_obj和φ_ref分別是物點和參考面上的相位，由物體和參考面上的結(jié)構(gòu)光場L_obj和L_ref經(jīng)步驟S1計算得到，f是條紋空間頻率，X_E和X_A是E點和A點的X坐標(biāo)。

進一步的，在本實施方式中，利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值d_us表示為：

$d_{us}=\frac{Z_P\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}f\[\frac{Z_C+Z_P}{Z_C-Z_B}(X_B-X_C)+X_C+X_P\]+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}=\frac{m_{us}\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{n_{us}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}};$

其中，(X_B,Z_B)，(X_C,Z_C)和(X_P,Z_P)分別是B點，C點和P點的坐標(biāo)，m_us和n_us是相位-深度映射系數(shù)。對于每條記錄光線，B、C、P點的坐標(biāo)都是確立的，因此每條光線對應(yīng)的相位-深度映射關(guān)系可由映射系數(shù)m_us和n_us來確定。一旦標(biāo)定出結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的相位-深度映射系數(shù)(m_us,n_us)，就能夠進行多方向深度估計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光場多方向三維成像。

在本實施方式中，在所述利用所述結(jié)構(gòu)光場的相位-深度映射關(guān)系計算每條光線的深度值的步驟S2之前，所述結(jié)構(gòu)光場三維成像方法還包括：標(biāo)定結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)，確定每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)；

其中，標(biāo)定的具體步驟包括：

利用位移平臺控制平面標(biāo)靶移動到相對于參考面深度為d_i的位置，結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像裝置記錄該位置下的結(jié)構(gòu)光場，并計算每條光線相對參考面的相位差值Δφ_us|i；

利用一系列的深度和相位差值(d_i,Δφ_us|i),i＝1,2,…,N擬合出該光線l_us的相位-深度映射系數(shù)(m_us,n_us)，最終生成光線索引的相位-深度映射系數(shù)查找表LUT_us{(m_us,n_us)}。

在步驟S3中，利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像。

在本實施方式中，所述利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像的步驟S3包括：

在所記錄的結(jié)構(gòu)光場的光線方向中選取一個特定的光線方向u_i；

從所有光線的深度信息中選取方向為u_i的光線的深度信息，得到該選取方向的場景深度估計，并建立三維成像模型

重復(fù)上述兩個步驟，得到不同方向的三維成像模型以完成構(gòu)建多方向三維成像，其中，N是光場的角度分辨率。

以下以實例說明上述結(jié)構(gòu)光場三維成像方法的執(zhí)行過程：

首先，計算生成投影條紋圖案，作為系統(tǒng)標(biāo)定與場景重建的結(jié)構(gòu)照明；

之后，在結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的成像范圍內(nèi)設(shè)置位移平臺和一塊標(biāo)定白板，位移平臺按照一定的步長移動白板，每到一個位置投影裝置投射條紋圖，成像裝置采集該結(jié)構(gòu)光場并求解其相位；

之后，在得到一系列位置和相位的情況下，以離成像系統(tǒng)最遠的位置為相對參考面，其余位置與之相比較，得到對應(yīng)的相對深度和相位差；

之后，對每條光線的一系列深度和相位差擬合出該光線的相位-深度映射系數(shù)，生成光線索引的相位-深度映射系數(shù)查找表；

之后，投影裝置投射條紋圖案到物體表面，成像裝置記錄該結(jié)構(gòu)光場并求解其相位，與相對參考面的相位比較，得到該物體相對于參考面的相位差；

之后，對于每條記錄光線，從相位-深度映射系數(shù)查找表中找出相應(yīng)的映射系數(shù)，計算該光線的深度值；

之后，所有相同方向的深度值組合為該方向的深度圖，最后重建該方向下物體的三維模型。

圖3示出石膏像的幾個特定方向的三維成像模型。每一子圖左上方的圓形表示微透鏡，圓形中的小方塊表示光線的一個特定方向。

本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)光場三維成像方法，結(jié)合光場成像和結(jié)構(gòu)照明獲取結(jié)構(gòu)光場，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)光場中相位和場景深度的映射關(guān)系，提出一種基于光線的結(jié)構(gòu)光場相位-深度映射標(biāo)定和三維成像的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次采集、多方向三維成像，有利于進一步深入研究結(jié)構(gòu)光場三維成像的理論和應(yīng)用，滿足多視角三維數(shù)字成像和測量的要求。

請參閱圖4，所示為本發(fā)明一實施方式中結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施方式中，結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)10主要包括結(jié)構(gòu)光照明模塊M1、光場成像模塊M2、相位-深度標(biāo)定模塊M3以及三維成像模塊M4。

結(jié)構(gòu)光照明模塊M1，用于生成條紋投影圖，由結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的投影裝置投射到物體表面。

在本實施方式中，條紋投影圖的具體生成方法如前述的相關(guān)步驟所述，在此不做重復(fù)描述。

光場成像模塊M2，使用光場數(shù)據(jù)形式記錄在結(jié)構(gòu)光照明下物體表面反射光線的信息，其中，記錄的信息包括光線的方向信息和受深度調(diào)制的相位信息。

在本實施方式中，信息記錄的方法如前述的相關(guān)步驟所述，在此不做重復(fù)描述。

相位-深度標(biāo)定模塊M3，用于標(biāo)定結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)，確定每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)。

在本實施方式中，結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法如前述的相關(guān)步驟所述，在此不做重復(fù)描述。

三維成像模塊M4，用于根據(jù)每條記錄光線的相位-深度映射系數(shù)計算每條光線的深度值，以及利用所述結(jié)構(gòu)光場中每條光線所記錄的方向和計算的深度值，構(gòu)建多方向三維成像。

在本實施方式中，計算每條光線的深度值的方法和構(gòu)建多方向三維成像的方法如前述的相關(guān)步驟所述，在此不做重復(fù)描述。

在本實施方式中，所述三維成像模塊M4具體包括：

選取子模塊，用于在所記錄的結(jié)構(gòu)光場的光線方向中選取一個特定的光線方向u_i；

建模子模塊，用于從所有光線的深度信息中選取方向為u_i的光線的深度信息，得到該選取方向的場景深度估計，并建立三維成像模型

重復(fù)子模塊，用于重復(fù)上述兩個步驟，得到不同方向的三維成像模型以完成構(gòu)建多方向三維成像，其中，N是光場的角度分辨率。

本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)光場三維成像系統(tǒng)10，結(jié)合光場成像和結(jié)構(gòu)照明獲取結(jié)構(gòu)光場，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)光場中相位和場景深度的映射關(guān)系，提出一種基于光線的結(jié)構(gòu)光場相位-深度映射標(biāo)定和三維成像的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次采集、多方向三維成像，有利于進一步深入研究結(jié)構(gòu)光場三維成像的理論和應(yīng)用，滿足多視角三維數(shù)字成像和測量的要求。

值得注意的是，上述實施例中，所包括的各個單元只是按照功能邏輯進行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能即可；另外，各功能單元的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。

另外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述各實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，相應(yīng)的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，所述的存儲介質(zhì)，如ROM/RAM、磁盤或光盤等。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。