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三維掃描系統中的快速相位展開方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于相位輪廓測量法的三維掃描系統中的快速相位展開方法，主要解決現在相位展開速度慢和精確度不高的問題。其實現步驟為：（1）設計系統中所需投影的三幅光柵相移圖像模板T1,T2,T3，該模板中含有像素點的周期信息；（2）用投影儀依次將這三幅光柵相移圖像T1,T2,T3投射到目標物體上，并通過攝像機拍攝經目標物體調制的變形光柵相移圖像U1,U2,U3；（3）根據該相移圖像U1,U2,U3的數學關系，求解出每幅圖像中每個像素點的截斷相位及周期信息，進而得到每個像素點的相位展開值。本發明具有實現簡單、準確性和魯棒性高、速度快的優點，可用于逆向工程、人機互動、文物三維重建等領域。
【專利說明】三維掃描系統中的快速相位展開方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于三維信息重構【技術領域】，主要涉及一種三維掃描系統中的相位展開方法，可用于人機互動、逆向工程、文物三維重建。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術以及人們生活水平的提高，三維信息的獲取成為當前人們研究的熱點。特別是結構光深度信息獲取方法作為一種非接觸式的三維視覺測量技術，在人機互動、醫學診斷、逆向工程、數字化建模、文物三維重建等多個領域有著廣泛的應用。
[0003]基于結構光的深度測量方法的原理是投影儀將結構光圖案投射到待測物體上，并用與投影方向成一定角度的攝像機記錄下投影的圖像，將所拍圖像與所投影的結構光圖案的對應點進行匹配后，利用三角測距法計算得到目標物體的深度。該方法具有原理簡單、易于實現和量程大的特點，因而得到廣泛應用。相位測量輪廓法作為結構光深度信息獲取方法的一種，具有精度聞、抗噪強等優點。
[0004]相位輪廓測量法采用正弦光柵投影和相移技術。它投影一個正弦光柵到目標物體表面，由于目標物體深度的差異，投影到目標物體的正弦光柵會發生變形，從而使物體的深度信息被編碼在光柵的形變中，光柵的變形由它相位的變化得到體現，如果能夠得到某一點的相位變化值，就可以獲得該點的深度信息。相位輪廓測量法的最大優點在于它計算相位是點對點的運算，即它不受相鄰點光強值的影響，從而避免了物體反射率不均勻引起的誤差。相位輪廓測量法的關鍵技術在于相位的展開，相位展開的精度以及速度直接影響到此方法的性能。最初對二維相位場的展開是在空域一維方向上僅僅依靠一些簡單的規則來進行加減2 π，這樣很容易出現展開錯誤。隨后相位展開的路徑擴展到二維方向，這樣就可以繞過一些不可靠的區域，使相位展開的靈活性大大提高，但根據這種方法進行相位展開耗時較長，并且在實際場景中，由于噪聲的干擾，由一幅截斷相位圖直接實現相位展開的數學方法是不完全可靠的。
[0005]為了解決這個問題，東南大學發明了一種三維掃描系統中基于格雷碼的相位展開方法，專利號為200610041558.X。此發明設計了一種引入七幅逐步二分的光柵投影圖案，利用格雷碼的方法確定相位所在的周期，從而來進行相位展開。由于此發明需要額外的投影七幅光柵圖案，其實現相對復雜。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種三維掃描系統中的快速相位展開方法，以在不增加投影光柵模板數量的情況下，對投影到目標物體上的變形光柵圖像進行快速、準確的相位展開。
[0007]實現本發明目的技術方案是:對相位輪廓測量法中的三幅光柵相位模版進行改進，將模板圖像中像素點的周期信息編碼到模版中，并將改進后的模版投影到目標物體上，通過攝像機拍攝目標物體上變形的光柵圖；根據拍攝到的光柵圖案求解出每個像素點的截斷相位和周期信息，進而得到每個像素點的展開相位。具體步驟包括如下:
[0008](I)設計基于相位輪廓測量法的三維掃描系統所需投影的三幅光柵相移圖像Ti, T2, T3 ；
[0009](2)用投影儀P將三幅光柵相移圖像T1, T2, T3依次投射到目標物體上；
[0010](3)通過攝像機C同步拍攝投影到目標物體后發生變形的三幅光柵相移圖像U1, U2, U3,并傳回至計算機；
[0011](4)計算機對攝像機傳輸的三幅光柵相移圖像U1, U2, U3進行處理，即根據這三幅光柵相移圖像U1, U2，U3的數學關系，求解出每幅圖像中每個像素點(i，j)的截斷相位餌//)及
周期標記信息p(i，j):
【權利要求】
1.一種三維掃描系統中的快速相位展開方法，包括如下步驟: (1)設計基于相位輪廓測量法的三維掃描系統所需投影的三幅光柵相移圖像Ti, T2, T3 ； (2)用投影儀P將三幅光柵相移圖像T1,T2, T3依次投射到目標物體上； (3)通過攝像機C同步拍攝投影到目標物體后發生變形的三幅光柵相移圖像U1,U2, U3,并傳回至計算機； (4)計算機對攝像機傳輸的三幅光柵相移圖像U1,U2, U3進行處理，即根據這三幅光柵相移圖像U1, U2，U3的數學關系，求解出每幅圖像中每個像素點(i，j)的截斷相位舛J')及周期標記信息P(i，j):
2.根據權利要求1所述的三維掃描系統中的快速相位展開方法，其中步驟(I)所述的基于相位輪廓測量法的三維掃描系統所需投影的三幅光柵相移圖像T1, T2, T3,按如下步驟進行設計: 2a)設定三幅光柵相移圖像模板的背景光強為Ae，調制深度為Be ； 2b)設定第k幅光柵相移圖像Tk的初始相移a k分別為α 1=0, α =2 π /3，α =-2 π /3，k=l, 2，3 ； 2c)設定三幅光柵相移圖像中每個像素點(x，y)的調制相位Φ (x, y)和每個像素點(χ, y)對應的周期調制的灰度值P(x, y)為:
【文檔編號】G01B11/25GK103453852SQ201310405100
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月8日 優先權日:2013年9月8日
【發明者】李甫, 石光明, 石悅鑫, 高山, 李芹, 李若岱, 楊莉莉 申請人:西安電子科技大學