基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法。首先用兩臺(tái)相機(jī)采集固定放置在視場(chǎng)中的分別設(shè)有一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的立體標(biāo)靶與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板的變形條紋圖，然后據(jù)此標(biāo)定時(shí)間參數(shù)并獲取立體標(biāo)靶的調(diào)制度圖像，然后對(duì)調(diào)制度圖像進(jìn)行歸一化處理后檢測(cè)立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并以立體標(biāo)靶上的標(biāo)志點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)兩臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖進(jìn)行空間相位展開，獲得兩臺(tái)相機(jī)采集的立體標(biāo)靶表面的連續(xù)相位分布圖，最后對(duì)其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖插值亞像素點(diǎn)，然后搜索另一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，并據(jù)此擬合等相位面，并記錄其折疊相位與平面參數(shù)。本發(fā)明可標(biāo)定運(yùn)動(dòng)中的干涉場(chǎng)，使運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)可像穩(wěn)定干涉場(chǎng)一樣使用。
【專利說(shuō)明】基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維數(shù)字成像領(lǐng)域，尤其涉及一種基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的 標(biāo)定方法與系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)態(tài)表面成像與測(cè)量在流水線檢測(cè)、軍事、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、體感游戲等領(lǐng)域有著廣泛的 需求。同時(shí)，相位輔助三維成像具有非接觸、速度快、精度高、數(shù)據(jù)密度大等優(yōu)點(diǎn)，在逆向工 程、質(zhì)量控制、缺陷檢測(cè)和文化娛樂等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。利用相位輔助手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)表 面成像可以顯著改善成像精度與分辨率，而相位是一個(gè)不能夠直接觀測(cè)的物理量，相移算 法是從條紋結(jié)構(gòu)光中獲得相位信息的重要手段。在使用相移算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)表面成像時(shí)，運(yùn) 動(dòng)對(duì)成像的影響較大，而減少成像需要的變形條紋圖數(shù)目是降低這一影響的重要手段。使 用單一空間頻率的折疊條紋圖可以有效減少成像需要的圖像數(shù)目，但其在對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找中必 須使用兩個(gè)約束條件。使用投影儀作為結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的系統(tǒng)，由于可以利用相機(jī)的標(biāo)定 方法標(biāo)定投影儀，因此僅需要兩臺(tái)相機(jī)即可提供足夠的約束條件。利用時(shí)間外差干涉裝置 產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)條紋干涉場(chǎng)，使用兩臺(tái)相機(jī)并不足以提供足夠的約束條件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定 方法與系統(tǒng)，以確保當(dāng)使用兩臺(tái)相機(jī)與單一空間頻率條紋的條件下，也有足夠的約束條件 確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0004] 一種基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，包括下述步驟：
[0005] 步驟A，將分別設(shè)有一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的立體標(biāo)靶與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板固定放置在視場(chǎng)中， 并利用兩臺(tái)相機(jī)同步采集若干幀包含所述立體標(biāo)靶與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板的變形條紋圖，同 時(shí)，根據(jù)每臺(tái)相機(jī)采集的各幀變形條紋圖，利用相應(yīng)的相移算法計(jì)算每臺(tái)相機(jī)的折疊相位 圖與調(diào)制度圖像，并記錄每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖中時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)和相 位值；同時(shí)，對(duì)每臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行歸一化，并對(duì)歸一化后的調(diào)制度圖像進(jìn)行圖像分 害U，去除背景；
[0006] 步驟B，對(duì)分割后的兩臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取出立體標(biāo)靶與兩個(gè) 標(biāo)志點(diǎn)，同時(shí)，以立體標(biāo)靶上的標(biāo)志點(diǎn)為基準(zhǔn)，空間相位展開兩臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖，得到 兩臺(tái)相機(jī)采集的立體標(biāo)靶表面的連續(xù)相位分布圖；
[0007] 步驟C，計(jì)算其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖中相位沿圖像X軸的梯度，利用梯度 得到插值的相位間隔，并在每行沿橫向方向插值亞像素點(diǎn)，同時(shí)，搜索另一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相 位分布圖中與所插值的亞像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)；
[0008] 步驟D，利用重建的等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)擬合等相位面，并記錄所述等相位面的折 疊相位與平面參數(shù)。
[0009] 進(jìn)一步地，求解每臺(tái)相機(jī)采集的各幀變形條紋圖的折疊相位圖與調(diào)制度圖像之 前，還包括對(duì)所述若干幀變形條紋圖進(jìn)行濾波的步驟；
[0010] 計(jì)算每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖與調(diào)制度圖像的方法為相移算法；
[0011] 所述圖像分割的方法為閾值分割法。
[0012] 進(jìn)一步地，所述邊緣檢測(cè)采用Canny算子；
[0013] 提取立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的方法為：對(duì)所述邊緣檢測(cè)得到的邊緣檢測(cè)圖像數(shù)據(jù) 進(jìn)行橢圓擬合，并通過擬合誤差與數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)的相對(duì)位置，判斷并提取所述立體標(biāo)靶與 兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟C包括如下步驟：
[0015] 步驟C1，利用其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上的一行數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬 合相位沿圖像橫坐標(biāo)方向的梯度，并通過如下公式得到插值的相位間隔：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟A，將分別設(shè)有一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的立體標(biāo)靶與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板固定放置在視場(chǎng)中，并利 用兩臺(tái)相機(jī)同步采集若干幀包含所述立體標(biāo)靶與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板的變形條紋圖，同時(shí)，根 據(jù)每臺(tái)相機(jī)采集的各幀變形條紋圖，利用相應(yīng)的相移算法計(jì)算每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖與調(diào) 制度圖像，并記錄每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖中時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)和相位值； 同時(shí)，對(duì)每臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行歸一化，并對(duì)歸一化后的調(diào)制度圖像進(jìn)行圖像分割，去 除背景； 步驟B，對(duì)分割后的兩臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取出立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志 點(diǎn)，同時(shí)，以立體標(biāo)靶上的標(biāo)志點(diǎn)為基準(zhǔn)，空間相位展開兩臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖，得到兩臺(tái) 相機(jī)采集的立體標(biāo)靶表面的連續(xù)相位分布圖； 步驟C，計(jì)算其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖中相位沿圖像X軸的梯度，利用梯度得到 插值的相位間隔，并在每行沿橫向方向插值亞像素點(diǎn)，同時(shí)，搜索另一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分 布圖中與所插值的亞像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)； 步驟D，利用重建的等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)擬合等相位面，并記錄所述等相位面的折疊相 位與平面參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，其特征在于，求解每臺(tái)相機(jī)采集的各 幀變形條紋圖的折疊相位圖與調(diào)制度圖像之前，還包括對(duì)所述若干幀變形條紋圖進(jìn)行濾波 的步驟； 計(jì)算每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖與調(diào)制度圖像的方法為相移算法； 所述圖像分割的方法為閾值分割法。
3. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，其特征在于，所述邊緣檢測(cè)采用Canny 算子； 提取立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的方法為：對(duì)所述邊緣檢測(cè)得到的邊緣檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 橢圓擬合，并通過擬合誤差與數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)的相對(duì)位置，判斷并提取所述立體標(biāo)靶與兩個(gè) 標(biāo)志點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟C包括如下步 驟： 步驟C1，利用其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上的一行數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合相 位沿圖像橫坐標(biāo)方向的梯度，并通過如下公式得到插值的相位間隔：
其中Vx表示相位沿橫坐標(biāo)的梯度，（J)plug表示計(jì)算得到的插值的相位間隔，round表示 四舍五入運(yùn)算； 步驟C2,按照插值的相位間隔，在所選擇的相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上沿每一行插值亞 像素點(diǎn)，得到新的連續(xù)相位分布圖； 步驟C3,通過輔助極線約束的方法查找另一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖中與插值的亞像 素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟D通過如下公式 擬合等相位面：
式中xn,yn,zn為空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，η為等相位點(diǎn)的個(gè)數(shù)，a,b,c為等相位面在三個(gè) 坐標(biāo)軸上截距的倒數(shù)。
6. -種基于時(shí)間外差投影的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，包括： 變形條紋圖采集單元，用于利用兩臺(tái)相機(jī)同步采集固定放置在視場(chǎng)中的分別設(shè)有一個(gè) 標(biāo)志點(diǎn)的立體標(biāo)革E與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板的若干幀包含所述立體標(biāo)祀與時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板的變 形條紋圖； 圖像處理單元，用于根據(jù)每臺(tái)相機(jī)采集的各幀變形條紋圖，利用相應(yīng)的相移算法計(jì)算 每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖與調(diào)制度圖像，并記錄每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖中時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板上 的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)和相位值；同時(shí)，對(duì)每臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行歸一化，并對(duì)歸一化后的調(diào) 制度圖像進(jìn)行圖像分割，去除背景； 邊緣檢測(cè)與相位展開單元，用于對(duì)分割后的兩臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提 取出立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，同時(shí)，以立體標(biāo)靶上的標(biāo)志點(diǎn)為基準(zhǔn)，空間相位展開兩臺(tái)相機(jī) 的折疊相位圖，得到兩臺(tái)相機(jī)采集的立體標(biāo)靶表面的連續(xù)相位分布圖； 圖像插值與三維重建單元，用于計(jì)算其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖中相位沿圖像X軸的梯度，利用梯度得到插值的相位間隔，并在每行沿橫向方向插值亞像素點(diǎn)，同時(shí)，搜索 另一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖中與所插值的亞像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位 點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)； 等相位面擬合單元，用于利用重建的等相位點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)擬合等相位面，并記錄所述 等相位面的折疊相位與平面參數(shù)。
7. 如權(quán)利要求6所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理單元包括： 圖像濾波模塊，用于對(duì)兩臺(tái)相機(jī)采集的各幀變形條紋圖進(jìn)行高斯濾波； 相位解調(diào)模塊，用于對(duì)濾波后的每臺(tái)相機(jī)的各幀變形條紋圖進(jìn)行相位解調(diào)，獲得每臺(tái) 相機(jī)的折疊相位圖與調(diào)制度圖像，并記錄每臺(tái)相機(jī)的折疊相位圖中時(shí)間參數(shù)標(biāo)定板上的標(biāo) 志點(diǎn)的坐標(biāo)和相位值； 調(diào)制度分割模塊，用于對(duì)每臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行歸一化，并對(duì)歸一化后的調(diào)制度 圖像進(jìn)行圖像分割，去除背景。
8. 如權(quán)利要求6所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述邊緣檢測(cè)與相位展 開單元包括： 邊緣檢測(cè)模塊，用于根據(jù)Canny算子對(duì)分割后的兩臺(tái)相機(jī)的調(diào)制度圖像進(jìn)行邊緣檢 測(cè)； 目標(biāo)識(shí)別模塊，用于對(duì)檢測(cè)到的邊緣檢測(cè)圖像進(jìn)行橢圓擬合，并通過擬合誤差與數(shù)據(jù) 的橫坐標(biāo)的相對(duì)位置，判斷并提取立體標(biāo)靶與兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)； 相位展開模塊，用于以立體標(biāo)靶上的標(biāo)志點(diǎn)為基準(zhǔn)，空間相位展開兩臺(tái)相機(jī)的折疊相 位圖，得到兩臺(tái)相機(jī)采集的立體標(biāo)靶表面的連續(xù)相位分布圖。
9. 如權(quán)利要求6所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像插值與三維重 建單元包括： 亞像素插值單元，用于利用其中一臺(tái)相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上的一行數(shù)據(jù)，通過最小 二乘法擬合相位沿圖像橫坐標(biāo)方向的梯度，并通過如下公式得到插值的相位間隔：
其中表示相位沿橫坐標(biāo)的梯度，<i>plug表示計(jì)算得到的插值的相位間隔，round表示 四舍五入運(yùn)算； 三維重建單元，用于按照插值的相位間隔，在所選擇的相機(jī)的連續(xù)相位分布圖上沿每 一行插值亞像素點(diǎn)，得到新的連續(xù)相位分布圖；并通過輔助極線約束的方法查找另一臺(tái)相 機(jī)的連續(xù)相位分布圖中與插值的亞像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的亞像素點(diǎn)，并據(jù)此重建等相位點(diǎn)的三維數(shù) 據(jù)。
10. 如權(quán)利要求6所述的運(yùn)動(dòng)干涉場(chǎng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述等相位面擬合單元 通過如下公式擬合等相位面：
式中xn,yn,zn為空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，η為等相位點(diǎn)的個(gè)數(shù)，a,b,c為等相位面在三個(gè) 坐標(biāo)軸上截距的倒數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104463863SQ201410729156
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】彭翔, 關(guān)穎健, 殷永凱, 劉曉利 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)