基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法

摘要

本发明公开了一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，主要解决现有三维信息获取方法测量精度低、空间分辨率低、耗时长的问题。其实现步骤为：设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板；用投影仪将其投射到待测物体上，用摄像机记录变形条纹图像；求解变形条纹图像的颜色相位分布和强度相位分布；根据颜色相位分布和强度相位分布，计算变形条纹图像中像素点的截断相位展开值；根据截断相位展开值确定像素点在投影模板中的匹配点；用三角测距原理及匹配点坐标，求出变形条纹图像中每个像素点的三维坐标值。本发明具有空间分辨率高、测量精度高、测量速度快的优点，可用于对动态物体的三维信息获取。

主权项

一种基于相位编码的混频结构光三维信息获取方法，包括如下步骤：(1)设计包含两种频率信息且强度变化的双颜色条纹模板P：(1a)设定双颜色条纹模版P的颜色为红色和蓝色，设强度变化的周期为T_i，颜色变化的周期为T_c，且T_i和T_c为互质的整数；(1b)将双颜色条纹模板P中第x行、第y列的像素点(x,y)处的红色分量灰度值标记为P_r(x,y)，蓝色分量灰度值标记为P_b(x,y)，并按下式进行赋值，构成双颜色条纹模板P：$\left\{\begin{array}{c}{P}_r(x,y)=\frac{C(x,y)+1}{2}P(x,y)\\ P_b(x,y)=-\frac{C(x,y)-1}{2}P(x,y)\end{array}\right.$其中，x、y分别表示像素点(x,y)的行、列坐标，P(x,y)＝a+b cos(2πf_iy)a、b为常量，分别表示模板的背景深度和调制强度，C(x,y)＝sign(l(x,y)‑l(x,y‑1))，l(x,y)＝cos(2πf₂y)，sign(·)为取正负操作，用1表示正，‑1表示负；(2)将投影仪T与摄像机V水平放置，并使两者光轴平行，再用投影仪T将双颜色条纹模板P投射到三维物体O上，用摄像机V拍摄经待测物体O调制过的变形条纹图像U；(3)将变形条纹图像U中灰度值大于10的像素点，标记为有效像素点(i,j)，计算有效像素点(i，j)的颜色编码信息C(i,j)及强度编码信息I(i,j)：$\left\{\begin{array}{c}C(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}1& P_r(i,j)\ge P_b(i,j)\\ -1& P_b(i,j)>P_r(i,j)\end{array}\right.\\ I(i,j)=\max \left(P_r\right(i,j),P_b(i,j))\end{array}\right.$其中，i、j分别表示有效像素点(i,j)的行、列坐标，P_r(i,j)，P_b(i,j)分别为有效像素点(i,j)的红色分量和蓝色分量的灰度值，C(i,j)为1表示红色，C(i,j)为‑1表示蓝色；(4)计算变形条纹图像U中第i行、第j列的有效像素点(i,j)的颜色积分值：$Tr(i,j)={\Sigma }_{j^{\prime }=start}^{j^{\prime }=j}C(i,j^{\prime })$其中，start为第i行第一个有效像素点的列坐值；(5)将颜色积分值Tr(i,j)与波长为T_c的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的颜色相位分布(6)将强度编码信息I(i,j)与波长为T_i的一维Gabor滤波器进行卷积，求取像素点(i,j)的强度相位分布(7)假定在深度为z_R处存在虚拟参考平面R，根据空间几何关系，计算像素点(i,j)对应于虚拟参考平面R的参考颜色相位分布及参考强度相位分布其中，f为摄像机的焦距，b为摄像机V光心和投影仪T光心的水平距离，θ_V为摄像机的水平视场角，θ_T为投影仪的水平视场角，Δd_V为摄像机单个像素所代表的实际宽度，其值为N_V为图像U的总列数，Δd_T为投影仪模版中单个像素所代表的实际宽度，其值为N_T为模版P的总列数，T_c为双颜色条纹模板P的颜色变化周期；(8)计算像素点(i,j)的强度截断相位差和颜色截断相位差(9)根据空间几何关系及余数定理，利用像素点的强度截断相位差和颜色截断相位差求取像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)；(10)利用像素点(i,j)的截断相位展开值Δφ(i,j)，求取像素点(i,j)在投影模版P中的匹配点(x(i,j),y(i,j))，其中x(i,j)和y(i,j)分别表示匹配点在投影模板P中的行、列坐标值；(11)根据三角测距原理，利用像素点(i,j)与匹配点(x(i,j),y(i,j))的空间关系，计算待测物体的三维信息值。