本發(fā)明屬于三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取方法。

背景技術(shù)：

在三維成像領(lǐng)域，快速獲取目標(biāo)物體的高精度三維數(shù)據(jù)一直以來(lái)都是一個(gè)重要的技術(shù)難點(diǎn)。早期人們通過(guò)機(jī)械的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)對(duì)目標(biāo)物體逐點(diǎn)探測(cè)以獲取三維圖像，但是這種逐點(diǎn)接觸式的圖像獲取技術(shù)一方面效率極其低下，另一方面對(duì)被測(cè)物體有所損壞，這些缺點(diǎn)使得該技術(shù)在諸如人體檢測(cè)，文物保護(hù)等領(lǐng)域難以得到應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械三維圖像獲取技術(shù)，光學(xué)三維圖像獲取技術(shù)由于其非接觸，高效率的優(yōu)點(diǎn)在科學(xué)研究，工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)由于數(shù)字投影設(shè)備的發(fā)展，光學(xué)三維成像方法中能夠?qū)崿F(xiàn)全場(chǎng)成像的條紋投影技術(shù)更是成為了研究熱點(diǎn)(s.s.gorthiandp.rastogi,“fringeprojectiontechniques:whitherweare？”opt.eng.48,133–140(2010).)。目前條紋投影領(lǐng)域中主流的兩種技術(shù)分別是傅里葉輪廓術(shù)(m.takedaandk.mutoh,“fouriertransformprofilometryfortheautomaticmeasurementof3-dobjectshapes,”appliedoptics22,3977-3982(1983).)與相移輪廓術(shù)(v.srinivasan,h.-c.liu,andm.halioua,“automatedphase-measuringprofilometryof3-ddiffuseobjects,”appliedoptics23,3105-3108(1984).)。

相比于傅里葉輪廓術(shù)，相移輪廓術(shù)由于對(duì)環(huán)境光和噪聲不敏感以及計(jì)算簡(jiǎn)單更適合自動(dòng)化高精度三維圖像的獲取。該技術(shù)主要通過(guò)向被測(cè)物體投影多幅(至少三幅)相移光柵條紋并通過(guò)相機(jī)同步采集受到被測(cè)物體調(diào)制后的光柵條紋來(lái)獲取被測(cè)物體的相位，最終通過(guò)相位到高度的映射關(guān)系來(lái)獲取被測(cè)物體的三維圖像。如何保證在較高成像效率下得到較高的成像精度一直以來(lái)都是相移輪廓術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。一般而言，在相移輪廓術(shù)中，投影的光柵條紋越多越有利于相位精確獲取，從而能得到越精確的被測(cè)物體三維圖像。但是過(guò)多的光柵條紋會(huì)極大的影響相位獲取的效率從而影響三維圖像獲取的速度(效率)(陳錢；馮世杰；顧國(guó)華；左超；孫佳嵩；喻士領(lǐng)；申國(guó)辰；李如斌.基于雙頻三灰階正弦光柵條紋投影的時(shí)間相位去包裹方法:中國(guó),201410027275.4[i].2013-04-30.)。針對(duì)動(dòng)態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))物體三維成像，為了保證成像的正確性，必須要求較高的成像效率。另一方面，盡管在測(cè)量靜態(tài)物體時(shí)成像效率對(duì)最終成像正確性沒有影響，但是面對(duì)流水線式的批量物體三維數(shù)據(jù)收集時(shí)，高的成像效率依舊有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(龍佳樂；張建民；范智暉.一種基于三波長(zhǎng)條紋投影的快速三維測(cè)量系統(tǒng):中國(guó),201620177719.7[i].2016-09-07.)。

基于相移輪廓術(shù)的三維成像技術(shù)相比于其他方法在測(cè)量方式，成像效率與成像精度上有著很大優(yōu)勢(shì)并在諸如文物保護(hù)、人體檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但是要想獲得更多的應(yīng)用必須進(jìn)一步提升其成像效率與成像精度，克服二者之間的矛盾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取方法，通過(guò)復(fù)合編碼和極線約束提高了三維成像精度和效率。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取方法，分別采取快速成像模式或高精度成像模式，在快速成像模式下，通過(guò)四幅條紋光柵獲取兩種不同頻率相位圖，利用極線約束以及左右一致性檢驗(yàn)求得高頻絕對(duì)相位并通過(guò)相位與三維坐標(biāo)映射關(guān)系獲取三維圖像；在高精度測(cè)量模式下，通過(guò)n+2幅條紋光柵獲取兩種不同頻率的相位，利用極線約束求得低頻絕對(duì)相位并用低頻絕對(duì)相位輔助高頻相位展開從而獲取高頻絕對(duì)相位并最終通過(guò)相位與三維坐標(biāo)映射關(guān)系獲取三維圖像。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明的快速成像模式利用四幅光柵條紋獲取被測(cè)物體三維圖像，與現(xiàn)有技術(shù)相比，四幅復(fù)合編碼光柵條紋組合保證了三維圖像測(cè)量的高效性；于此同時(shí)，雙目視覺中極線約束的引入使得該技術(shù)能用四幅復(fù)合光柵條紋獲取高達(dá)64個(gè)條紋周期的高精度相位，保證了三維圖像的高精度。最后，由于高頻絕對(duì)相位直接通過(guò)極線約束求解，并沒有借助于低頻絕對(duì)相位，這避免了兩種頻率條紋光柵調(diào)制度差異帶來(lái)的三維圖像的不正確性。如圖2所示，在均采用四幅條紋的前提下本發(fā)明的快速成像模式成像結(jié)果更精細(xì)即擁有更高的成像精度。因此本發(fā)明的快速成像模式在保證了成像效率的同時(shí)，提高了成像精度。(2)本發(fā)明的高精度成像模式通過(guò)n+2幅光柵條紋獲取了被測(cè)物體三維圖像，與現(xiàn)有技術(shù)相比，極線約束的引入使得8周期的低頻絕對(duì)相位能夠通過(guò)兩幅低頻光柵條紋直接獲取，這極大的避免了現(xiàn)有技術(shù)中利用多幀光柵條紋(通常遠(yuǎn)大于2)獲取低頻絕對(duì)相位的冗余性，提升了測(cè)量效率。另一方面，n幅128條紋周期數(shù)的編碼圖案保證了最終獲取的三維圖像精度不低于現(xiàn)有的技術(shù)。如圖4所示，本發(fā)明僅利用五幅條紋即可實(shí)現(xiàn)50um量級(jí)精度的三維成像。因此本發(fā)明的高精度成像模式在保證成像精度的同時(shí)，極高地提升了成像效率。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為快速成像模式步驟流程示意圖。

圖2為快速成像模式測(cè)試結(jié)果，圖2(a)與圖2(b)分別為本方法與現(xiàn)有技術(shù)獲取的動(dòng)態(tài)物體的三維圖像，圖2(c)與圖2(f)為圖2(a)局部細(xì)節(jié)，圖2(d)與圖2(g)為圖2(b)局部細(xì)節(jié)，圖2(e)與圖2(h)為局部細(xì)節(jié)的對(duì)比。

圖3為高精度成像模式步驟流程示意圖。

圖4為高精度成像模式測(cè)試結(jié)果，圖4(a)為標(biāo)準(zhǔn)陶瓷平板三維成像結(jié)果，圖4(b)為圖4(a)中某一行的細(xì)節(jié)展示。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1和圖3，本發(fā)明基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取方法，分別采取快速成像模式或高精度成像模式，這兩種成像模式共用相同的成像系統(tǒng)，以及相同的成像系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果，并且都采用極線約束結(jié)合輔助相位信息作為相位展開的核心技術(shù)，其相比于傳統(tǒng)多頻時(shí)間相位展開方法在效率上大大提高，相比于傳統(tǒng)的空間相位展開算法在效率和準(zhǔn)確度上大大提高。所述的快速成像模式步驟如下：

步驟一，成像系統(tǒng)標(biāo)定；

步驟二，生成、投射和采集四幅雙頻光柵條紋；

步驟三，分析左相機(jī)、右相機(jī)采集到的光柵條紋分別得到一組高頻相位和一組低頻相位；

步驟四，利用極限約束搜索左相機(jī)高頻相位圖上每一點(diǎn)，即原始點(diǎn)在空間上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)深度約束剔除部分錯(cuò)誤點(diǎn)；

步驟五，剩余的空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)被投射到右相機(jī)的高頻以及低頻相位圖上，通過(guò)原始點(diǎn)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間相位差異確定最終對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并獲取高頻絕對(duì)相位；

步驟六，根據(jù)絕對(duì)相位獲取三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景三維圖像高效高精度獲取。

所述的高精度成像模式步驟如下：

步驟一，成像系統(tǒng)標(biāo)定；

步驟二，生成、投射和采集n+2幅雙頻光柵條紋圖案；

步驟三，分析左相機(jī)、右相機(jī)采集到的光柵條紋分別得到一組高頻相位和一組低頻相位；

步驟四，利用極限約束搜索左相機(jī)低頻相位圖上每一點(diǎn)，即原始點(diǎn)在空間上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)深度約束剔除部分錯(cuò)誤點(diǎn)；

步驟五，剩余的空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)被投射到右相機(jī)的低頻相位圖上，通過(guò)原始點(diǎn)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間相位差異確定最終對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)低頻絕對(duì)相位獲取高頻絕對(duì)相位；

步驟六，根據(jù)絕對(duì)相位獲取三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜態(tài)場(chǎng)景三維圖像高效高精度獲取。

下面詳細(xì)說(shuō)明兩種成像模式的過(guò)程。

本發(fā)明快速成像模式流程示意圖如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一，成像系統(tǒng)標(biāo)定。

成像系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、左相機(jī)、右相機(jī)和投影儀，其中左相機(jī)、右相機(jī)與投影儀各自通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，投影儀與左相機(jī)、右相機(jī)之間分別通過(guò)觸發(fā)線連接。成像系統(tǒng)搭建完成后，用(z.zhang,“aflexiblenewtechniqueforcameracalibration.”ieeetransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence.22(11),1330-1334(2000).)中的標(biāo)定方法進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，得到左相機(jī)、右相機(jī)與投影儀在一個(gè)世界坐標(biāo)系下的標(biāo)定參數(shù)，這些參數(shù)包含像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的縮放參數(shù)、平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)以及畸變參數(shù)。

步驟二，生成、投射和采集四幅雙頻光柵條紋。

計(jì)算機(jī)通過(guò)matlab軟件生成的四幅雙頻光柵條紋為兩幅正弦條紋光柵加兩幅三角波條紋光柵，條紋光柵如下：

i1(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)sin[πfh(2x/w-1)]

i2(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[πfh(2x/w-1)]

i3(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)tri[(2flx/w-1)]

i4(x,y)＝a(x,y)-b(x,y)tri[(2flx/w-1)]

其中ii(x,y)表示生成圖像的像素坐標(biāo)(x,y)處的光柵條紋強(qiáng)度，i＝1,2,3,4，表示第i幅光柵條紋圖像，a為圖像直流分量，b為振幅，tri為閾值區(qū)間為[-1,1]的三角波函數(shù)，fh,fl分別為i1,i2與i3,i4所包含的條紋周期數(shù)，w為整幅光柵條紋圖像的像素寬度，a＝b＝127.5，fh,fl分別取值為64和9，x取值范圍是0至w-1。這些光柵經(jīng)過(guò)投影儀投出后由左相機(jī)、右相機(jī)同步采集得到。為了簡(jiǎn)單起見，這里只對(duì)左相機(jī)作具體分析，右相機(jī)的分析過(guò)程同左相機(jī)，其中左相機(jī)采集到的光柵條紋如下：

其中，為左相機(jī)實(shí)際拍到的光柵條紋圖像，i＝1,2,3,4，(x^c,y^c)為攝像機(jī)拍攝圖像的像素坐標(biāo)，α為被測(cè)物表面反射率，β1為被反射的環(huán)境光，β2為直接進(jìn)入攝像機(jī)的環(huán)境光，φh(x^c,y^c)為光柵條紋圖與光柵條紋圖所包含的相位，φl(shuí)(x^c,y^c)為光柵條紋圖與光柵條紋圖所包含的相位。假設(shè)a^c＝α(x^c,y^c)a(x^c,y^c)+α(x^c,y^c)β1(x^c,y^c)+β2(x^c,y^c)，b^c＝α(x^c,y^c)b(x^c,y^c)，并省去(x^c,y^c)則上面四式可化簡(jiǎn)為：

右相機(jī)的采集過(guò)程與上述左相機(jī)的過(guò)程相同。

步驟三，分析左相機(jī)、右相機(jī)采集到的光柵條紋分別得到一組高頻相位和一組低頻相位。

根據(jù)步驟二中左相機(jī)所采集到的圖像可以得到兩組如下所示相位：

其中φh為高頻包裹相位，φl(shuí)為低頻包裹相位，利用與左相機(jī)相同的步驟可以求得右相機(jī)采集的條紋光柵對(duì)應(yīng)的相位分別為φh',φl(shuí)'。

步驟四，利用極限約束搜索左相機(jī)高頻相位圖上每一點(diǎn)(原始點(diǎn))在空間上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)深度約束剔除部分錯(cuò)誤點(diǎn)。

對(duì)于φh上任意一點(diǎn)p(原始點(diǎn))，其周期級(jí)次k有fh種可能性，這意味著其絕對(duì)相位

φh＝φh+2kπ,k∈[0,fh-1]

有fh個(gè)不同值。再由下式

可知p在三維空間中對(duì)應(yīng)著fh個(gè)點(diǎn)，即fh個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中mz,nz以及cz由步驟一中所獲取的標(biāo)定參數(shù)推導(dǎo)而得(k.liu,y.wang,etal“dual-frequencypatternschemeforhigh-speed3-dshapemeasurement.”opticsexpress.18(5),5229-5244(2010).)。三維成像的關(guān)鍵就是要確認(rèn)這fh個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)中唯一正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)?？紤]到實(shí)際三維成像系統(tǒng)中測(cè)量空間范圍有限，根據(jù)左相機(jī)、右相機(jī)和投影儀有效范圍預(yù)先設(shè)定為(zmin,zmax)，如zmin＝-200mm,zmax＝200mm，所有使得z超出這個(gè)預(yù)先設(shè)定的范圍的k及其對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)將被確認(rèn)為錯(cuò)誤點(diǎn)并被排除掉。經(jīng)過(guò)此步驟，p的正確周期級(jí)次k及其空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的范圍將縮小至fh'種，其中fh'＜＜fh。

步驟五，剩余的空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)被投射到右相機(jī)的高頻以及低頻相位圖上，通過(guò)原始點(diǎn)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間相位差異確定最終對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并獲取高頻絕對(duì)相位。

首先，將步驟四中在(zmin,zmax)內(nèi)剩余的空間點(diǎn)投影到右相機(jī)的成像面上，得到fh'個(gè)位于右相機(jī)成像面上的二維對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

實(shí)際上正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)p'的包裹相位φh',φl(shuí)'與原始點(diǎn)之間的包裹相位φh,φl(shuí)應(yīng)非常接近，從而可依據(jù)下式

φdiff＝φh(p)-φh'(p')

進(jìn)一步排除二維對(duì)應(yīng)點(diǎn)中φdiff超過(guò)閾值0.5rad(rad為弧度單位，閾值大小先驗(yàn)確定)的點(diǎn)，其中φdiff表示原始點(diǎn)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)在包裹相位φh與φh'上的差異。此時(shí)可以將正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的范圍從fh'縮小至fh”。

然后，在剩余的fh”個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)中選取出使得φl(shuí)(p)-φl(shuí)'(p')最小的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并認(rèn)為該點(diǎn)為正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，那么該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的周期級(jí)次k即為正確的周期級(jí)次，至此可以確認(rèn)原始點(diǎn)唯一的φh。

步驟六，根據(jù)絕對(duì)相位獲取三維圖像。

根據(jù)步驟五中獲得的絕對(duì)相位φh結(jié)合下式求得三維圖像坐標(biāo)。

xp＝exzp+fx

yp＝eyzp+fy

其中ex,fx,ey,fy由步驟一中的標(biāo)定參數(shù)得到(k.liu,y.wang,etal“dual-frequencypatternschemeforhigh-speed3-dshapemeasurement.”opticsexpress.18(5),5229-5244(2010).)，xp,yp,zp為被測(cè)物體空間三維坐標(biāo)，至此可以獲取被測(cè)物體三維圖像。

通過(guò)上述步驟可以看出，本發(fā)明在快速成像模式下，通過(guò)四幅光柵條紋獲取被測(cè)物體三維圖像，與現(xiàn)有技術(shù)相比，四幅復(fù)合編碼光柵條紋組合保證了三維圖像測(cè)量的高效性；于此同時(shí)，雙目視覺中極線約束的引入使得該技術(shù)能用四幅復(fù)合光柵條紋獲取高達(dá)64個(gè)條紋周期的高精度相位，保證了三維圖像的高精度；最后，由于高頻絕對(duì)相位直接通過(guò)極線約束求解，并沒有借助于低頻絕對(duì)相位，這避免了兩種頻率條紋光柵調(diào)制度差異帶來(lái)的三維圖像的不正確性。

為了測(cè)試一種基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取技術(shù)效果，本發(fā)明給出了兩組試驗(yàn)結(jié)果。圖2(a)與圖2(b)分別為本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)獲取的動(dòng)態(tài)物體的三維圖像，圖2(c)與圖2(f)為圖2(a)局部細(xì)節(jié)，圖2(d)與圖2(g)為圖2(b)局部細(xì)節(jié)，圖2(e)與圖2(h)為局部細(xì)節(jié)的對(duì)比。由這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本發(fā)明的快速成像模式與現(xiàn)有技術(shù)相比保留了更多的細(xì)節(jié)測(cè)量結(jié)果更加精細(xì)，在保證高效率三維成像的同時(shí)在成像精度上有了很大提升。

本發(fā)明高精度成像模式流程示意圖如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一，成像系統(tǒng)標(biāo)定。

成像系統(tǒng)(包括計(jì)算機(jī)，左右兩個(gè)相機(jī)、一個(gè)投影儀，其中左相機(jī)、右相機(jī)與投影儀各自通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，投影儀與相機(jī)之間通過(guò)觸發(fā)線連接)搭建完成后，用(z.zhang,“aflexiblenewtechniqueforcameracalibration.”ieeetransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence.22(11),1330-1334(2000).)中的標(biāo)定方法進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，得到兩個(gè)相機(jī)與一個(gè)投影儀在一個(gè)世界坐標(biāo)系下的標(biāo)定參數(shù)。

步驟二，生成、投射和采集四幅雙頻光柵條紋。

n+2幅條紋光柵為兩幅低頻正弦條紋光柵加n幅高頻正弦條紋光柵，其中n≥3，為了簡(jiǎn)單起見，以n＝3為例，條紋光柵如下:

j1(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[πnh(2x/w-1)]

j2(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[πnh(2x/w-1)+2π/3]

j3(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[πnh(2x/w-1)+4π/3]

j4(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)sin[πnl(2x/w-1)]

j5(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[πnl(2x/w-1)]

其中ji(x,y)表示生成圖像的像素坐標(biāo)(x,y)處的光柵條紋強(qiáng)度，i＝1,2,3,4，表示第幾幅光柵條紋圖像，a為圖像直流分量，b為振幅，nh,nl分別為j1～j3與j4,j5所包含的條紋周期數(shù)，w為整幅光柵條紋圖像的像素寬度，a＝b＝127.5，nh,nl分別取值為128和8，x取值范圍是0至w-1。這些光柵經(jīng)過(guò)投影儀投出后由左相機(jī)、右相機(jī)同步采集得到。為了簡(jiǎn)單起見，這里只對(duì)左相機(jī)作具體分析，右相機(jī)的分析過(guò)程同左相機(jī)，其中左相機(jī)采集到的光柵條紋如下：

其中，為左相機(jī)實(shí)際拍到的光柵條紋圖像，i＝1,2,3,4，(x^c,y^c)為攝像機(jī)拍攝圖像的像素坐標(biāo)，α為被測(cè)物表面反射率，β1為被反射的環(huán)境光，β2為直接進(jìn)入攝像機(jī)的環(huán)境光，ψh(x^c,y^c)為光柵條紋圖到光柵條紋圖所包含的相位，ψl(x^c,y^c)為光柵條紋圖與光柵條紋圖所包含的相位。假設(shè)a^c＝α(x^c,y^c)a(x^c,y^c)+α(x^c,y^c)β1(x^c,y^c)+β2(x^c,y^c)，b^c＝α(x^c,y^c)b(x^c,y^c)，并省去(x^c,y^c)則上面四式可化簡(jiǎn)為：

右相機(jī)的采集過(guò)程與上述左相機(jī)的過(guò)程相同。

步驟三，分析左相機(jī)、右相機(jī)采集到的光柵條紋分別得到一組高頻相位和一組低頻相位。其中左相機(jī)的相位具體如下：

其中ψh為高頻包裹相位，ψl為低頻包裹相位，利用與左相機(jī)相同的步驟可以求得右相機(jī)采集的條紋光柵對(duì)應(yīng)的相位分別為ψh',ψl'。

步驟四，利用極限約束搜索左相機(jī)高頻相位圖上每一點(diǎn)(原始點(diǎn))在空間上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)深度約束剔除部分錯(cuò)誤點(diǎn)。

對(duì)于φl(shuí)上任意一點(diǎn)q(原始點(diǎn))，其周期級(jí)次k有nl種可能性，這意味著其絕對(duì)相位

ψl＝ψl+2lπ,l∈[0,nl-1]

有nl個(gè)不同值，再由下式

可知q在三維空間中對(duì)應(yīng)著nl個(gè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)點(diǎn))，其中mz,nz以及cz由步驟一中所獲取的標(biāo)定參數(shù)推導(dǎo)而得(k.liu,y.wang,etal“dual-frequencypatternschemeforhigh-speed3-dshapemeasurement.”opticsexpress.18(5),5229-5244(2010).)。三維成像的關(guān)鍵就是要確認(rèn)這nl個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)中唯一正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。考慮到實(shí)際三維成像系統(tǒng)中測(cè)量空間范圍有限，根據(jù)左相機(jī)、右相機(jī)和投影儀有效范圍可預(yù)先設(shè)定為(zmin,zmax)，如zmin＝-200mm,zmax＝200mm，所有使得zq超出這個(gè)預(yù)先設(shè)定的范圍的l及其對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)將被確認(rèn)為錯(cuò)誤點(diǎn)并被排除掉。經(jīng)過(guò)此步驟q的正確周期級(jí)次l及其空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的范圍將縮小至nl'種，其中nl'＜＜nl。

步驟五，剩余的空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)被投射到右相機(jī)的低頻相位圖上，通過(guò)原始點(diǎn)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間相位差異確定最終對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并通過(guò)低頻絕對(duì)相位獲取高頻絕對(duì)相位。

首先，將步驟四中在(zmin,zmax)內(nèi)剩余的空間點(diǎn)投影到右相機(jī)的成像面上，得到nl'個(gè)位于右相機(jī)成像面上的二維對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

實(shí)際上正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)q'的包裹相位ψl'與原始點(diǎn)之間的包裹相位ψl應(yīng)非常接近，由于nl'＜＜nl從而可從nl'個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)中選取出使得ψl(p)-ψl'(p')最小的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并認(rèn)為該點(diǎn)為正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，那么該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的周期級(jí)次l即為正確的周期級(jí)次，至此可以確認(rèn)原始點(diǎn)唯一的ψl。

然后，通過(guò)下式

ψh＝ψh+2lπ

求得最終的高頻絕對(duì)相位ψh。

步驟六，根據(jù)絕對(duì)相位獲取三維圖像。

根據(jù)步驟五中獲得的絕對(duì)相位ψh結(jié)合下式求得三維圖像坐標(biāo)。

xq＝exzq+fx

yq＝eyzq+fy

其中ex,fx,ey,fy由步驟一中的標(biāo)定參數(shù)得到(k.liu,y.wang,etal“dual-frequencypatternschemeforhigh-speed3-dshapemeasurement.”opticsexpress.18(5),5229-5244(2010).)，xq,yq,zq為被測(cè)物體空間三維坐標(biāo)，至此可以獲取被測(cè)物體三維圖像。

通過(guò)上述步驟可以看出，本方法在高精度模式下，通過(guò)n+2幅光柵條紋獲取了被測(cè)物體三維圖像，與現(xiàn)有技術(shù)相比，極線約束的引入使得8周期的低頻絕對(duì)相位能夠通過(guò)兩幅低頻光柵條紋直接獲取，這極大的避免了現(xiàn)有技術(shù)中利用多幀光柵條紋(通常遠(yuǎn)大于2)獲取低頻絕對(duì)相位的冗余性，提升了測(cè)量效率；另一方面，n幅128條紋周期數(shù)的編碼圖案保證了最終獲取的三維圖像精度不低于現(xiàn)有的技術(shù)。

為了測(cè)試一種基于多模態(tài)復(fù)合編碼和極線約束的高效三維圖像獲取方法的效果，我們給出了一組試驗(yàn)結(jié)果。圖4(a)為靜態(tài)物體在高精度成像模式下的三維成像結(jié)果，圖4(b)為圖4(a)中某一行的細(xì)節(jié)展示，由圖4可知對(duì)靜態(tài)物體本技術(shù)高精度成像模式能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)50um的成像精度。