基于傅里葉變換無需相位展開的快速三維形貌測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于傅里葉變換無需相位展開的快速三維形貌測(cè)量方法，具體說 是一種基于傅里葉變換的快速三維測(cè)量方法，可用于高速實(shí)時(shí)狀態(tài)下的目標(biāo)三維測(cè)量，屬 于三維形貌測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維形貌測(cè)量技術(shù)旨在獲取物體的三維信息，該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域， 如何進(jìn)行快速高精度的測(cè)量一直是三維測(cè)量方面的研究重點(diǎn)?；诠鈱W(xué)的三維測(cè)量技術(shù)是 目前最有發(fā)展前景的方向之一，其中基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的三維測(cè)量是其中研究的熱點(diǎn)之一， 其應(yīng)用也是十分廣泛。
[0003] 傅里葉輪廓三維測(cè)量方法就是一種基于條紋結(jié)構(gòu)光的算法，最初由Takeda和 Mutoh于1983年提出，其優(yōu)勢(shì)主要在于只需要一幅圖像即可進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)光測(cè)量。具體來 說，只需要拍攝一幅編碼的條紋圖，然后對(duì)它進(jìn)行傅里葉變換，緊接著在空域里進(jìn)行帶通濾 波，將非編碼的信息濾去只保留條紋信息。最后通過傅里葉逆變換將濾波后的圖像變換回 來，再經(jīng)過相位運(yùn)算就得到包裹的相位圖。
[0004] 雖然傅里葉變換法具有快速測(cè)量等的優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)的傅里葉變換方法在求解得 到包裹的相位圖后，都需要相位展開過程。同時(shí)，為了求得三維坐標(biāo)，一般都需要對(duì)投射結(jié) 構(gòu)光條紋的投影儀進(jìn)行標(biāo)定。此外，傅里葉變換法是將相位信息直接換算成高度信息。因 此，相位信息誤差就直接反應(yīng)到高度誤差上，所以該方法需要較高質(zhì)量的相位圖，這些特點(diǎn) 就限制傅里葉變換方法在三維測(cè)量上的應(yīng)用。
[0005] 近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)傅里葉變換三維測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，但是大多數(shù)都是 對(duì)相位展開過程，或者投影儀標(biāo)定方法等進(jìn)行改進(jìn)。從本質(zhì)上來說并沒有避免相位展開和 投影儀標(biāo)定等過程，這樣整個(gè)算法還是比較復(fù)雜，不利于應(yīng)用推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于傅里葉變換無 需相位展開的快速三維形貌測(cè)量方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種基于傅里葉變換無需相位展開的快速三維形貌測(cè)量方法，該方法包括如下步 驟：
[0009] 步驟1、建立雙目立體視覺檢測(cè)平臺(tái)，主要包括兩臺(tái)平行放置的工業(yè)相機(jī)以及專業(yè) 投影儀設(shè)備；
[0010] 步驟2、對(duì)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行立體標(biāo)定，得到相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，用于雙目立體矯正過程；
[0011] 步驟3、在不使用任何主動(dòng)光源的條件下，同時(shí)拍攝獲取左右相機(jī)圖像，稱之為左 右原圖；
[0012] 步驟4、用專業(yè)投影儀投射設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)光圖案，然后同時(shí)拍攝獲取左右相機(jī)圖 像，稱之為結(jié)構(gòu)光條紋圖；
[0013] 步驟5、利用步驟3得到的左右原圖，采用被動(dòng)立體匹配算法得到初步視差圖；
[0014] 步驟6、利用步驟4得到的左右結(jié)構(gòu)光條紋圖，采用傅里葉輪廓技術(shù)得到包裹的相 位圖；
[0015] 步驟7、將步驟5得到的初步視差圖作為約束條件，對(duì)步驟6得到的包裹相位圖采 用局部相位匹配方法進(jìn)行相位匹配，得到像素級(jí)的相位匹配視差圖；
[0016] 步驟8、對(duì)步驟7得到的匹配結(jié)果運(yùn)用線性比例關(guān)系進(jìn)行視差精細(xì)化處理，得到亞 像素級(jí)精度的視差匹配結(jié)果；
[0017] 步驟9、將步驟8得到的亞像素級(jí)精度的視差結(jié)果生成三維點(diǎn)云圖，顯示三維形貌 結(jié)果。
[0018] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：
[0019] 本發(fā)明提出將雙目立體匹配技術(shù)應(yīng)用于基于傅里葉變換法的三維形貌測(cè)量中，避 免復(fù)雜的相位展開過程，無需投影儀標(biāo)定，可以達(dá)到亞像素級(jí)精度的匹配結(jié)果。雙目立體匹 配技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)粗糙匹配，得到初步視差圖，隨后用此初步視差圖作為約束條件用來對(duì)傅 里葉變換法得到的包裹相位圖進(jìn)行相位匹配，最后生成三維點(diǎn)云圖。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：
[0021] 1、本發(fā)明利用被動(dòng)立體匹配技術(shù)得到初步視差圖，并將此初步視差圖作為約束條 件來實(shí)現(xiàn)包裹相位的像素級(jí)匹配。隨后，運(yùn)用線性比例思想實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的相位匹配，得到 致密視差圖。
[0022] 2、本發(fā)明不需要任何空間或時(shí)間的相位展開過程，簡(jiǎn)化算法復(fù)雜度，同時(shí)避免相 位展開帶來的誤差。
[0023] 3、本發(fā)明不需要投影儀標(biāo)定過程，避免復(fù)雜的投影儀標(biāo)定可以使得測(cè)量過程更加 簡(jiǎn)化，同時(shí)又能避免投影儀標(biāo)定帶來的誤差。
[0024] 4、本發(fā)明測(cè)量過程只需投射一幅結(jié)構(gòu)光圖，相機(jī)共拍攝兩幅圖即可，達(dá)到快速測(cè) 量的要求。
[0025] 5、本發(fā)明由于采用被動(dòng)立體匹配方法作為約束條件，因此不需要高質(zhì)量的相位 圖，使得算法復(fù)雜度降低。
[0026] 6、本發(fā)明可運(yùn)用于單個(gè)或者多個(gè)物體，同時(shí)可以應(yīng)用到連續(xù)或不連續(xù)的物體的三 維形貌測(cè)量。
[0027] 總之，本發(fā)明是一種新穎、簡(jiǎn)單而又快速的三維測(cè)量方法，具有很高的應(yīng)用價(jià)值， 尤其是在快速三維測(cè)量技術(shù)方面，具有很大的發(fā)展前景。
【附圖說明】
[0028] 圖1是算法整體流程圖。
[0029] 圖2是系統(tǒng)整體布局示意圖。
[0030] 圖3是像素級(jí)相位匹配示意圖。
[0031] 圖4-1和圖4-2是亞像素級(jí)相位匹配過程示意圖。其中，圖4-1是像素級(jí)匹配點(diǎn) 在初步匹配點(diǎn)右邊時(shí)的亞像素級(jí)相位匹配示意圖；圖4-2是像素級(jí)匹配點(diǎn)在初步匹配點(diǎn)左 邊時(shí)的亞像素級(jí)相位匹配示意圖。
[0032] 圖5是深度信息明顯的單一目標(biāo)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)過程。其中，（a)和（b)分別是相機(jī)拍 攝的左右原圖，（C)和（d)分別是相機(jī)拍攝到的左右結(jié)構(gòu)光圖，（e)和（f)分別是由左右結(jié) 構(gòu)光圖生成的左右包裹相位圖。
[0033] 圖6是深度信息明顯的單一目標(biāo)三維重構(gòu)結(jié)果。其中，（a)是由ELAS算法得到的 初步視差圖，（b)是經(jīng)過所述一系列算法得到的亞像素級(jí)相位匹配視差圖。（c)和（d)分別 對(duì)應(yīng)的是（a)和（b)所生成的三維測(cè)量形貌圖。（e)和⑴分別是（c)和⑷的局部放大 圖。
[0034] 圖7是細(xì)節(jié)信息明顯的單一目標(biāo)三維重構(gòu)結(jié)果。其中，（a)為拍攝的原圖（以左 相機(jī)為例），（b)為由結(jié)構(gòu)光圖得到的包裹相位圖。（c)為是由ELAS算法得到的三維形貌 圖，（d)是經(jīng)過所述一系列算法得到的亞像素級(jí)相位匹配的三維形貌圖。（e)和（f)分別是 (c) 和⑷的局部放大圖。
[0035] 圖8是不連續(xù)的多目標(biāo)標(biāo)物體三維測(cè)量結(jié)果。其中，（a)為拍攝的原圖（以左相 機(jī)為例），（b)為由結(jié)構(gòu)光圖得到的包裹相位圖。（c)為是由ELAS算法得到的三維形貌圖， (d) 是經(jīng)過所述一系列算法得到的亞像素級(jí)相位匹配的三維形貌圖。（e)和（f)分別是（c) 和（d)的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面，結(jié)合附圖1~8進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0037] 本發(fā)明基于傅里葉變換無需相位展開的快速三維形貌測(cè)量方法，該方法整體流程 如圖1所示，具體實(shí)施步驟如下：
[0038] 步驟1、建立雙目立體視覺檢測(cè)平臺(tái)，主要包括兩臺(tái)平行放置的工業(yè)相機(jī)（左相機(jī) 和右相機(jī)）以及專業(yè)投影儀設(shè)備；
[0039] 步驟2、對(duì)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行立體標(biāo)定，得到相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，用于雙目立體矯正過程； [0040] 步驟3、在不使用任何主動(dòng)光源的條件下，同時(shí)拍攝獲取左相機(jī)和右相機(jī)圖像，稱 之為左右原圖；
[0041] 步驟4、用專業(yè)投影儀投射設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)光圖案，然后同時(shí)拍攝獲取左相機(jī)和右相 機(jī)圖像，稱之為左右結(jié)構(gòu)光條紋圖；
[0042] 步驟5、利用步驟3得到的左右原圖，采用被動(dòng)立體匹配算法得到初步視差圖；
[0043] 步驟6、利用步驟4得到的左右結(jié)構(gòu)光條紋圖，采用傅里葉輪廓技術(shù)得到包裹的相 位圖（左包裹相位、右包裹相位）；
[0044] 步驟7、將步驟5得到的初步視差圖作為約束條件，對(duì)步驟6得到的包裹相位圖采 用局部相位匹配方法進(jìn)行相位匹配，得到像素級(jí)的相位匹配視差圖；
[0045] 步驟8、對(duì)步驟7得到的匹配結(jié)果運(yùn)用線性比例關(guān)系進(jìn)行亞像素視差精細(xì)化處理， 得到亞像素級(jí)精度的視差匹配結(jié)果；
[0046] 步驟9、將步驟8得到的亞像素級(jí)精度的視差結(jié)果生成三維點(diǎn)云圖，顯示三維形貌 結(jié)果。
[0047] 所述步驟1中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求兩臺(tái)相機(jī)盡量平行放置，兩個(gè)相機(jī)間距遠(yuǎn)小于相機(jī)到 被測(cè)物距離（其中，遠(yuǎn)小于是指：兩個(gè)相機(jī)間距與相機(jī)到被測(cè)物距離之比在1 :20以上），系 統(tǒng)整體布局如圖2所示。投影儀采用德州儀器生產(chǎn)的DLP LightCrafter 4500數(shù)字投影儀。
[0048] 所述步驟2中的立體標(biāo)定過程采用的標(biāo)定板大小應(yīng)與被測(cè)物體大小相同或相近 (其中，相近是指：被測(cè)物體與相機(jī)對(duì)應(yīng)的面積與標(biāo)定板與相機(jī)對(duì)應(yīng)的面積之比在1 :〇. 5~ 2)，而且測(cè)量時(shí)被測(cè)物放置在標(biāo)定時(shí)的位置。其中，標(biāo)定板是在標(biāo)定的時(shí)候放置于被測(cè)物的 位置代替被測(cè)物，之后物體測(cè)量的整個(gè)過程和標(biāo)定板無關(guān)。
[0049] 所述步驟5中，采用被動(dòng)立體匹配算法為Efficient Large-Scale Stereo Matching(ELAS)算法，用其得到初步視差圖。
[0050] 所述步驟6中利用傅里葉變換法得到包裹相位圖，其具體過程包括以下三點(diǎn)。首 先，將條紋圖進(jìn)行二維離散傅里葉變換。其次，將變換得到的圖像進(jìn)行頻域帶通濾波，只保 留頻域里的結(jié)構(gòu)光部分的分量。最后，進(jìn)行傅里葉逆變換，得到-Ji到+ η的包裹相位圖。
[0051] 所述步驟7中利用步驟5得到的初步視