基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法技術

本發明專利技術公開了基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，由彩色三角波條紋編碼原理、離焦投影系統、消除通道間顏色串擾原理、三維測量原理四大關鍵部分組成。本發明專利技術的優點是：(1)與傳統的條紋投影方法相比：傳統方法需分別投影三幀條紋(每幀相移120°)本方法只需投影一幀彩色三角波條紋，極大地提高了三維測量速度；(2)三角波條紋經過輕微離焦投影，在參考平面上就可得到理想的正弦條紋；(3)采用了三角波條紋離焦的方法，可以濾除高次諧波并且能夠減小gamma效應，從而進一步提高測量精度。該方法在動態物體的快速、實時三維測量中具有潛在的應用前景和實用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種三維測量方法，具體涉及基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法。
技術介紹
條紋投影輪廓術由于非接觸、全場測量、測量速度快、精度高和易于信息處理等優點，在三維測量中具有重要意義。三維測量系統如圖1所示，包括投影儀1，彩色CCD相機2，工作站3，測量支架4，參考平面5，待測物體6；投影儀1和彩色CCD相機2放在測量支架4上并分別通過數據線連接到工作站3；工作站3內包含圖像采集卡、投影軟件、測量軟件。投影儀1將帶有特征信息的條紋適當離焦成正弦條紋后投射到參考平面5，由彩色CCD相機2采集條紋信息，經過工作站3處理后得到參考相位。然后將待測物體6放在相同位置，經過工作站3得到相應的變形條紋像，計算出相位，減去參考相位即得到由待測物體面形引起的相位變化，從而根據相位與物體表面形貌的對應關系進行三維重建。DLP投影儀1光軸和彩色CCD相機2光軸相交于O點。投影儀1和彩色CCD相機2為同一高度，它們之間的距離為d，它們到參考平面的距離為l0。被測物體6的高度計算公式為： h = l 0 Δ φ 2 πf 0 d + Δ φ - - - ( 3 ) ]]>其中f0為參考平面上的正弦條紋頻率，Δφ為物體表面圖像和參考平面圖像對應點的連續相位差。通過對國內外研究現狀及發展動向分析研究，近年來高速、實時、高精度的三維測量在醫學診斷、產品在線檢測、人臉和指紋識別等方面都有著廣泛的應用。國內外針對物體表面形貌的快速三維測量在理論和應用上做了一系列研究，通常對動態場景的三維測量方法有傅里葉變換輪廓術和彩色編碼方法。利用基于條紋投影的傅里葉變換輪廓術能實現動態過程三維面形測量。利用彩色編碼方法能實現人物表情撲捉。以上兩種方法的優點是測量時需要投射的條紋數量少，極大地提高了測量速度。傳統的三維測量方法需要投影至少三幀條紋圖像，耗時長，直接影響測量速度，這種單一通道的測量技術已經無法滿足現今需要更快速度、更高精度地測量物體三維形貌這一發展趨勢。本專利技術提出一種基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，此方法只需投影一幀彩色三角波條紋，耗時短，從而提高測量速度，適合快速、實時三維測量的場合。同時采用三角波條紋離焦投影方法，減小了gamma效應的影響，提高了測量精度。除此之外，本專利技術通過加入算法可以減小通道間的串擾，并且補償通道的強度不均衡,從而修正截斷相位的誤差,進一步提高了測量精度。在很多工業自動化檢測中，需要測量獲取對象的三維信息數據，因此實現對物體表面形貌高速、高精度的三維測量方法越來越受到廣大研究者的重視。由于彩色圖像較灰度圖像具有更加豐富的信息和更好的識別特征，可以減少投影幀數，因此,利用彩色條紋的顏色信息來進行快速、實時、高精度的三維測量成為一種新的方法。本專利技術提出的基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法在高速、高精度三維測量中將發揮重要作用。
技術實現思路
本專利技術提出了一種基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，該方法較傳統的正弦條紋投影的三維測量方法，減小了gamma效應，提高了測量精度和速度。本專利技術提出的基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，其特征是：彩色三角波條紋編碼原理、離焦投影系統、消除通道間顏色串擾原理、三維測量原理；所述彩色三角波條紋編碼原理，通過將RGB三個通道中分別嵌入同頻率且相位依次為-120°、0°、120°的三角波條紋，再通過合成，得到彩色三角波條紋；所述離焦投影系統，通過對三角波條紋進行傅里葉分析： x ( t ) = A 2 + 4 A π 2 Σ k = 1 N 1 ( 2 k + 1 ) 2 cos ( 2 k + 1 ) ω 0 t - - - ( 4 ) ]]>上式中A為幅度值，k為諧波次數，w0為基頻。可知三角波條紋中含有多項高次諧波，通過對它進行適度離焦，可將高次諧波濾除，得到標準的正弦條紋；所述三維測量原理，由消除串擾后的彩色三角波條紋分離出的紅、綠、藍三種顏色的彩色正弦條紋，使用三步相移法得到截斷相位值： φ ( x , y ) = tan - 1 ( 3 I R - I B 2 I G - I R - I B ) - - - ( 2 ) ]]>再采用質量引導法進行相位解包裹，得到連續相位值，從而利用相位-高度公式(3)得到物體表面每一點的高度信息。本專利技術的優點是：(1)與傳統的正弦條紋投影方法相比：傳統方法需分別投影三幀正弦條紋(每幀相移120°)；本方法只需要使用投影裝置將單幅彩色三角波條紋投影到物體表面就可以實現三維測量，能較好地滿足實時性要求；(2)三角波條紋經過離焦投影，在參考平面上得到正弦條紋，與二進制條紋投影離焦情況相比，三角波條紋離焦程度更淺，只需在輕微離焦狀態下便可得到理想的正弦條紋；(3)采用了彩色三角波條紋離焦投影方法，可本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，其特征是：由彩色三角波條紋編碼原理、離焦投影系統、消除通道間顏色串擾原理、三維測量原理四大關鍵部分組成；所述彩色三角波條紋編碼原理，通過將RGB三個通道中分別嵌入同頻率且相位依次為?120°、0°、120°的三角波條紋，再通過合成，得到彩色三角波條紋；所述離焦投影系統，通過對三角波條紋進行傅里葉分析：x(t)=A2+4Aπ2[cosωt+132cos3ωt+152cos5ωt+...+1(2k+1)2cos(2k+1)ωt+...]---(1)]]>可知三角波條紋中含有高次諧波，通過對它進行適當離焦可將高次諧波濾除，得到標準的正弦條紋；所述三維測量原理是由消除串擾后的彩色三角波條紋按離焦投影系統中的方法得到了分離出的紅、綠、藍三種顏色的彩色正弦條紋，使用三步相移法得到截斷相位值：φ(x,y)=tan-1(3IR-IB2IG-IR-IB)---(2)]]>再采用質量引導法進行相位解包裹，得到連續相位值，從而利用相位?高度公式：h=l0Δφ2πf0d+Δφ---(3)]]>得到物體表面每一點的高度信息。...

【技術特征摘要】
1.基于彩色三角波條紋離焦投影三維測量方法，其特征是：由彩色三角波條紋編碼原理、離焦投影系統、消除通道間顏色串擾原理、三維測量原理四大關鍵部分組成；所述彩色三角波條紋編碼原理，通過將RGB三個通道中分別嵌入同頻率且相位依次為-120°、0°、120°的三角波條紋，再通過合成，得到彩色三角波條紋；所述離焦投影系統，通過對三角波條紋進行傅里葉分析： x ( t ) = A 2 + 4 A π 2 [ c o s ω t + 1 3 2 c o s 3 ω t + 1 5 2 c o s 5 ω t + ... + 1 ( 2 k + 1 ) 2 c o s ( 2 k + 1 ) ω t + ... ] - - - ( 1 ) ]]>可知三角波條紋中含有高次諧波，通過對它進行適當離焦可將高次諧波濾除，得到標準的正弦條紋；所述三維測量原理是由消除串擾后的彩色三...

【專利技術屬性】
技術研發人員：伏燕軍，王鳳麗，夏桂鎖，柴明鋼，
申請(專利權)人：南昌航空大學，
類型：發明
國別省市：江西;36