具有嵌入輔助圖案的條紋的絕對(duì)相位測(cè)量的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有嵌入輔助圖案的條紋的絕對(duì)相位測(cè)量
[0001] 背景
[0002] 三維形狀測(cè)量在眾多領(lǐng)域中扮演關(guān)鍵角色，包括但不限于制造、醫(yī)療、安全和娛 樂(lè)。在各種可用的3D掃描技術(shù)中，存在投影精心制作的空間編碼圖案的各種單攝技術(shù)，這 些技術(shù)適于時(shí)間關(guān)鍵情況下的3D測(cè)量。公知的Kinect?深度相機(jī)屬于該類(lèi)別。（Kinect? 深度相機(jī)由PrimeSense開(kāi)發(fā)并被華盛頓州雷蒙德市的微軟公司收購(gòu)）Kinect?投影紅外 斑點(diǎn)圖案（即，分散點(diǎn)圖案），該紅外斑點(diǎn)圖案是高度隨機(jī)的，并由此提供足夠的可辨識(shí)性 來(lái)檢測(cè)空間中的圖案變形。然而，任何形式的空間編碼在解碼期間暗示局部深度平滑性和 鄰域依賴性，這不可避免地導(dǎo)致準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)密度的丟失。
[0003] 作為對(duì)比，具有條紋投影的相移輪廓測(cè)量（PSP)由于其高準(zhǔn)確性和高數(shù)據(jù)密度而 被廣泛地采用。一般而言，PSP適合靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)樗蠖鄠€(gè)圖案被順序地投影。對(duì)于最 常用的正弦條紋，需要至少三個(gè)圖像來(lái)生成相位圖。而且，由于正弦信號(hào)的周期性，所獲取 的相位圖是被包裹的（wrapped)。為了恢復(fù)絕對(duì)相位以用于復(fù)雜場(chǎng)景的不模糊3D測(cè)量，實(shí) 際圖像獲取數(shù)通常比三個(gè)多得多。相機(jī)和投影儀技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得能夠通過(guò)PSP來(lái)進(jìn)行 快速且準(zhǔn)確的3D掃描。對(duì)測(cè)量過(guò)程的進(jìn)一步加速可通過(guò)減少用于絕對(duì)相位恢復(fù)的圖像獲 取數(shù)來(lái)獲得。
[0004] 概述
[0005]本文描述了使用嵌入輔助圖案的條紋圖案的相移輪廓測(cè)量（PSP)，該條紋圖案允 許使用理論上最少的僅僅三個(gè)圖像的準(zhǔn)確的相位模糊解決方案。輔助圖案被嵌入三個(gè)相移 條紋圖案，以使得相位計(jì)算獨(dú)立于所嵌入的輔助圖案，該輔助圖案在不減少條紋的振幅的 情況下被嵌入，并且條紋的頻率不受限。在一方面，輔助圖案是高度可辨識(shí)的斑點(diǎn)圖案。從 三個(gè)接收到的圖像中生成包裹相位圖，并且確定連續(xù)區(qū)域掩模以便在該包裹相位圖中指示 各自對(duì)應(yīng)于從中捕捉到這些圖像的場(chǎng)景中的連續(xù)表面的多個(gè)連續(xù)區(qū)域?；谒度氲妮o助 圖案，使用期差投票策略（perioddisparityvotingstrategy)來(lái)恢復(fù)每一區(qū)域的絕對(duì)相 位。
[0006] 提供本概述以便以簡(jiǎn)化形式介紹將在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。本 概述不旨在標(biāo)識(shí)出所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于幫助確定所要 求保護(hù)的主題的范圍。例如，術(shù)語(yǔ)"工具"可以指上述上下文和通篇文檔所準(zhǔn)許的設(shè)備、系 統(tǒng)、方法、和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0007] 附圖簡(jiǎn)述
[0008] 參考附圖來(lái)描述詳細(xì)描述。在附圖中，附圖標(biāo)記最左邊的數(shù)字標(biāo)識(shí)該附圖標(biāo)記首 次出現(xiàn)的附圖。在各附圖中，使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)指示相同的特征和組件。
[0009] 圖1是其中可實(shí)現(xiàn)具有嵌入輔助圖案的條紋的相移輪廓測(cè)量的示例環(huán)境的圖示。
[0010] 圖2是示出示例投影儀和示例相機(jī)的嚴(yán)格垂直對(duì)齊的圖示。
[0011] 圖3是示出被配置成實(shí)現(xiàn)相移輪廓測(cè)量的示例計(jì)算設(shè)備的各組件的框圖。
[0012] 圖4是二個(gè)不例相移條紋圖案的圖不。
[0013] 圖5是示例模擬隨機(jī)斑點(diǎn)圖案的圖示。
[0014] 圖6是示出在參考平面捕捉到的斑點(diǎn)圖像的歸一化互相關(guān)（NCC)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的線 圖。
[0015] 圖7是示出用于在條紋圖案中嵌入輔助圖案的示例解決方案的圖示。
[0016] 圖8是示出在參考平面捕捉到的嵌入斑點(diǎn)的條紋圖像的歸一化互相關(guān)（NCC)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)的線圖。
[0017] 圖9是用于使用嵌入斑點(diǎn)的條紋來(lái)執(zhí)行相移輪廓測(cè)量的示例過(guò)程的流程圖。
[0018] 圖10是用于在包裹相位圖中執(zhí)行連續(xù)區(qū)域檢測(cè)的示例過(guò)程的流程圖。
[0019]圖11是示出相鄰像素的圖示，將要分析這些相鄰像素以確定作為直接近鄰的像 素是否在同一連續(xù)區(qū)域內(nèi)。
[0020] 圖12是用于確定連續(xù)區(qū)域掩模中的特定區(qū)域的期差的示例過(guò)程的流程圖。
[0021] 圖13是示例連續(xù)區(qū)域掩模的五個(gè)相應(yīng)區(qū)域的五個(gè)示例直方圖的集合。
[0022] 詳細(xì)描述
[0023]本文描述了使用嵌入輔助圖案的正弦條紋圖案的示例相移輪廓測(cè)量（PSP)，該正 弦條紋圖案允許使用理論上最少的僅僅三個(gè)圖像的相位模糊解決方案。三個(gè)條件的同時(shí)滿 足導(dǎo)致相位測(cè)量的準(zhǔn)確性。第一，相位計(jì)算獨(dú)立于所嵌入的信號(hào)；第二，條紋振幅不為容納 所嵌入的信號(hào)而減少，由此保持PSP的信噪比（SNR);以及第三，高頻條紋可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)高 準(zhǔn)確性測(cè)量。
[0024] 給定以上三個(gè)條件，在設(shè)計(jì)用于三步PSP的嵌入代碼時(shí)存在若干挑戰(zhàn)。例如，為了 滿足第一個(gè)條件，所嵌入的信號(hào)在三個(gè)圖像中的每一個(gè)中都應(yīng)該是相同的，這排除了在時(shí) 域內(nèi)編碼的可能性。第二個(gè)條件顯著地顯著留給空間編碼的空間。如第三個(gè)條件所指示的， 如果條紋頻率為高，則基于每一周期內(nèi)的像素強(qiáng)度的差異來(lái)標(biāo)識(shí)條紋次序是不可靠的。
[0025] 包裹相位圖中的底層模糊性在兩個(gè)方面受限。第一，給定每一像素的包裹相位，與 絕對(duì)相位的可能差異受到條紋周期數(shù)的限制。第二，連續(xù)表面上的每一像素的期差在直接 空間相位展開(kāi)后將會(huì)是相同的。
[0026] 使用理論上最少的僅僅三個(gè)圖像的相位模糊解決方案通過(guò)使用同時(shí)滿足以上定 義的三個(gè)條件中的每一個(gè)的三個(gè)嵌入輔助圖案的條紋圖案來(lái)獲取。然后，依靠所嵌入的輔 助圖案信號(hào)，使用高效且穩(wěn)健的投票策略來(lái)逐個(gè)區(qū)域地，而不是逐個(gè)像素地恢復(fù)絕對(duì)相位。 結(jié)果是不模糊的三步PSP，該三步PSP提供了能夠測(cè)量具有多個(gè)分隔對(duì)象和不連續(xù)的表面 變化的復(fù)雜場(chǎng)景的快速且準(zhǔn)確的3D掃描。
[0027] 示例環(huán)境
[0028] 圖1示出了其中可實(shí)現(xiàn)使用嵌入輔助圖案的條紋投影的相移輪廓測(cè)量（PSP)的示 例環(huán)境100。示例環(huán)境100包括在通信上耦合到投影儀104和相機(jī)106的計(jì)算設(shè)備102以 及與該投影儀和相機(jī)的光路正交定向的參考平面1〇8(例如，光滑的墻或屏幕）。環(huán)境100 還包括場(chǎng)景110,該場(chǎng)景包括一個(gè)或多個(gè)對(duì)象112。
[0029] 為了獲取對(duì)場(chǎng)景110的三維度量，投影儀104投影嵌有輔助圖案116的條紋圖案 114。當(dāng)嵌入輔助圖案的條紋118被投影到場(chǎng)景110上時(shí)，相機(jī)106捕捉到圖像120。圖1 示出了水平條紋圖案114。如此處所描述的PSP還可使用其他條紋圖案定向（例如，垂直條 紋圖案）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0030] 圖2示出了投影儀104和相機(jī)106的示例垂直對(duì)齊。如圖所示，在示例實(shí)現(xiàn)中， 投影儀104和相機(jī)106的光路在垂直方向上嚴(yán)格對(duì)齊，如垂直線202所示。在投影儀和相 機(jī)垂直對(duì)齊的情況下，相機(jī)捕捉到的圖像將參考從投影儀投影的圖像來(lái)被垂直而非水平移 位。雖然嚴(yán)格的垂直對(duì)齊并非必需，但如果相機(jī)和投影儀不是垂直對(duì)齊的，則還將存在水平 移位，并且這一水平移位將需要被包括在本文描述的各種計(jì)算中。
[0031] 示例計(jì)算設(shè)備
[0032] 圖3示出了實(shí)現(xiàn)如本文描述的相移輪廓測(cè)量的示例計(jì)算設(shè)備102的各組件。計(jì)算 設(shè)備102表示可實(shí)現(xiàn)相移輪廓測(cè)量的任何類(lèi)型的設(shè)備，包括但不限于臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、膝 上型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、平板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備等。示例計(jì)算設(shè)備102包括一個(gè)或多個(gè)通 信接口 302、一個(gè)或多個(gè)處理器304和存儲(chǔ)器306。通信接口 302使得計(jì)算設(shè)備能夠與諸如 投影儀104和相機(jī)106等其他設(shè)備進(jìn)行通信。通信接口 302可包括但不限于網(wǎng)絡(luò)接口、音 頻/視頻輸入/輸出、有線接口、無(wú)線接口等。
[0033] 操作系統(tǒng)308、相移輪廓測(cè)量應(yīng)用310以及一個(gè)或多個(gè)其他應(yīng)用312作為計(jì)算機(jī)可 讀指令被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器306中，并且至少部分地在處理器304上執(zhí)行。
[0034] 相移輪廓測(cè)量應(yīng)用310包括條紋圖案模塊314、輔助圖案模塊316、嵌入圖案模塊 318、包裹相位圖模塊320、空間相位展開(kāi)模塊322、相位恢復(fù)模塊324以及深