技术领域
[0001] 本
发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及结构光三维测量系统的非线性校正方 法。
背景技术
[0002] 相位测量轮廓术(phase measuring profilometry，简称PMP)是一种应用广泛的 非
接触式光学三维测量技术，它具有
精度高和可靠性高的优点。在实际应用中，当投影图案 较少时，摄像头-投影机系统的非线性将造成严重的相位误差，而另一方面，
三维扫描的实 时性要求投影图案的数目尽可能少。Zhongwei Li等在论文"Li Z, Shi Y, Wang C, et al. Accurate calibration method for a structured light system[J]. Optical Engineering, 2008, 47(5): 053604-053604-9"中介绍了相位测量轮廓术几何标定和非 线性校正的方法。其中非线性校正方法首先向均匀平面投射4步
相移的正弦结构光图案，得 到受非线性影响的畸变相位，计算相位误差，然后把畸变相位和相位误差均量化为256级， 建立从畸变相位到相位误差的查找表，在实际测量中，利用该查找表对畸变相位进行事后 补偿，达到非线性校正的目的。上述方法存在以下缺点：首先，该方法没有把系统的几何标 定和非线性校正有机结合起来，需要另外在均匀平面上投射结构光图案以获得准确相位和 畸变相位;其次，非线性校正的精度受查找表量化级数影响；第三，由于相位误差与图案数 目相关，所以该方法根据4步相移图案建立的查找表仅能用于4步相移的PMP，应用范围受到 限制;第四，该非线性校正方法是对畸变相位进行补偿，畸变相位中随机噪声较大，校正精 度容易受随机噪声的影响。Chao Zuo等在论文"Zuo C, Chen Q, Gu G, et al. High-speed three-dimensional profilometry for multiple objects with complex shapes [J]· Optics express, 2012，20(17): 19493-19510"中提出了通过投射和捕捉一系列纯 色灰度图案获取投影机的
亮度非线性响应，根据该非线性响应建立灰度查找表，利用该查 找表对投影图案进行预补偿，达到非线性校正的目的。该方法存在以下不足:首先，该方法 不能与系统几何标定过程有机结合，需要投射大量纯色灰度图案，所以效率不高；其次，因 为纯色灰度图案与PMP图案具有不同的光场，所以该方法建立的灰度查找表并不能精确反 映投影PMP图案时投影机的非线性响应。如何把PMP系统的几何标定和非线性校正有机结合 起来，仅利用几何标定过程中拍摄的结构光图像来获取投影设备的非线性响应，精确高效 地完成的非线性校正，应用本发明提及的方案就可以解决这一关键技术问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对目前结构光系统非线性校正方案不能与几何标定有机结合、 执行效率低、校正精度低的缺点，提出一种与几何标定相结合的非线性校正方法，该方法操 作简便，能达到较高的校正精度和执行效率。
[0004] 本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：
[0005] 使用投影装置向三维标靶依次投射基频和高频的正弦结构光图案，并用摄像装置 进行同步拍摄，根据拍摄图像分别计算出低频相位和高频截断相位，采用时间相位展开得 到准确的绝对相位，同时计算出结构光图像的
直流分量和亮度调制;把准确相位用于投影 装置的几何标定，即利用相位计算出标靶特征点在投影装置
坐标系中的对应点坐标，利用 该对应关系计算出世界坐标系到投影装置坐标系的转换矩阵;把结构光图像的直流分量用 于摄像装置的几何标定，即通过对结构光图像的直流分量进行特征点检测，计算出标靶特 征点在摄像装置坐标系中的对应点坐标，利用该对应关系计算出世界坐标系到摄像装置坐 标系的转换矩阵;对拍摄图像进行规范化处理，即把拍摄的结构光图像减去其直流分量，再 点除壳度调制后，找出图像的最小和最大灰度值，米用min-max标准化方法把图像灰度值规 范到[0，1]区间，最后把灰度值等比例拉伸到与投影图案灰度值相同的范围;通过对结构光 图像的亮度调制进行
阈值分割确定拍摄图像中具有高
信噪比的有效区域;根据准确相位计 算出有效区域内每个
像素点在投影图案中对应点的灰度值，建立从规范化结构光图像到投 影图案的灰度值查找表，即把规范化结构光图像的灰度值作为查找表索引，对每一个索引， 找到结构光图像所有具有该索引灰度值的像素点，取这些像素点在投影图案中对应点的平 均灰度值作为查找表输出；在投射结构光图案进行三维扫描前，利用该查找表对图案的灰 度值进行预补偿，从而达到对测量系统进行非线性校正的目的。
[0007] 因为本发明的非线性校正过程与系统几何标定有机结合起来，除了几何标定所用 的PMP图案，不需要投射额外的编码图案，简化了系统非线性校正的过程，提高了校正的效 率；由于本发明方法依据拍摄的PMP图像建立灰度查找表，所以该查找表准确反映了实际 PMP扫描时的光场条件，提高了校正精度。
附图说明
[0008] 图1为本发明相位测量轮廓术系统非线性校正方法的工作
流程图。
具体实施方式
[0009] 下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。
[0010] 采用的装置有1台CASI0XJ-M140投影机，投影机缓存
帧大小为SOisx 600像素，灰度 量化等级为8bit，投影机最大输出
频率为150帧/s; 1个Prosilica GC650工业摄像头，分辨 率为480像素，灰度量化等级为8bit，摄像头最大捕捉频率为62帧/s; -个用于摄像头 和投影机几何标定的立体标革巴。1台具有Core i3 3530 CPU，4GB内存的计算机，由计算机对 结构光投影和拍摄过程进行控制。附图1为本
实施例非线性校正方法流程图。本实例具体实 施步骤如下：
[0011] (1)用基频和高频的正弦结构光图案对三维标靶进行扫描，根据PMP
算法获得准确 相位、结构光图像的直流分量和亮度调制。
[0012] PMP原理在论文"Liu K, Wang Y, Lau D L, et al · Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement[J]. Opt. Express, 2010, 18(5): 5229-5244"中有详细介绍，现简述如下：
[0013] 用投影机向三维标靶投射正弦结构光图案，投射的图案表示为：
[0015] 其中，为垂直方向扫描图案在_^#|处的灰度值，/为结构光图案的空 间频率，劝每个方向相移总数，/^为相移系数，，和为常数，满足靈k_。本实例正弦结 构光图案的参数为#逆，相移总数屉40，空间频率分别取/=1、2、10、32。
[0016] 用摄像头同步捕捉结构光图像，在系统没有非线性畸变的理想条件下，拍摄到的 图像表示为：
[0018]分别表不拍摄
图像序列在 >处的亮度值、平均亮度值、亮度调制和相位。
[0019] 最后，利用拍摄到的结构光图像序列，解码得到摄像头图像每个像素对应的平均 亮度值亮度调制和相位_|^1@。解码公式为：
[0023] 其中，把基频结构光图像带入公式(3)和(4)分别计算出#和if，用公式(5)分别 计算出基频相位和未展开的高频相位，然后通过时间相位展开法用基频相位依次对高频相 位进行展开，最终得到展开后的准确相位。多频相位展开的具体方法在技术报告"Yalla V G， Hassebrook L G. Very high resolution 3D surface scanning using multifrequency phase measuring profilometry[C]//Defense and Security. International Society for Optics and Photonics，2005: 44-53" 中有详细介绍。
[0024] (2)利用相位和平均亮度分别对投影机和摄像头进行标定。
[0025] 把准确相位用于投影装置的几何标定，即利用相位计算出标靶特征点在投影装置 坐标系中的对应点坐标，利用该对应关系计算出世界坐标系到投影装置坐标系的转换矩阵 把结构光图像的直流分量4s用于摄像装置的几何标定，即通过对4s进行特征点检 测，计算出标靶特征点在摄像装置坐标系中的对应点坐标，利用该对应关系计算出世界坐 标系到摄像装置坐标系的转换矩系统几何标定的具体方法在论文"Li，J.， Hassebrook, L. G., & Guan， C. (2003). Optimized two-frequency phase- measuring-profilometry light-sensor temporal-noise sensitivity. JOSA A, 20 (1)，106-115"中有详细介绍。本领域的技术人员不难理解投影机和摄像头的标定方法。 [0026] (3)根据准确相位和拍摄的结构光图像建立灰度查找表。
[0027]对拍摄图像进行规范化处理，即把拍摄的结构光图像减去其直流分量，再点除亮 度调制后，找出图像的最小和最大灰度值，采用m i n -m a X标准化方法把图像灰度值规范到 [0，1]区间，最后把灰度值等比例拉伸到[0,255]。规范化处理过程可以用下面两个式子表 示：
[0030] 其中，__||丨和分别表示图像g的最小和最大灰度值，表示规范化 处理后的图像在_义#|处的灰度值。
[0031] 通过对结构光图像的亮度调制滋"进行阈值分割确定拍摄图像中具有高信噪比的 有效区域。摄像头图像中某像素点遂Μ直的大小能反映该点相位是否有效。》"值较大区域对 应有效测量区域，而直接近于〇的区域则对应信噪比较低的区域或背景阴影区域。故用 作为
滤波器过滤掉无效区域，即设定一个阈值》，这里》取值为筘二赛，把摄像头坐标区 域:费I:::;:夏:|判定为有效测量区域。
[0032] 根据准确相位计算出有效区域内每个像素点在投影图案中对应点的灰度值，计算 公式如下：
[0034] 其中，;淡表示准确的绝对相位；/表示拍摄图像的空间频率，这里分 别取/=1、2; 表示在投影图案中对应点的灰度值。
[0035] 建立从规范化结构光图像到投影图案ΙΪ的灰度值查找表，即把规范化结构光 图像的灰度值作为查找表索引，对每一个索引i，找到结构光图像所有具有该索引灰度值i 的像素点，表示为坐标集合: ;取A在投影图案中对应点的平 均灰度值作为查找表输出，该查找表可以表不为：
[0037] 其中，編_表示索引为i时的查找表输出，函数双盼〗表示取平均值运算。
[0038] (4)用灰度查找表对投影图案进行预补偿，完成非线性校正。
[0039] 预补偿后的投影图案可以表示为：
[0041]其中，31表示预补偿后的投影图案在_,，|处的灰度值，实际三维扫描过程中 投射If，就达到了非线性校正的目的。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
