專利名稱：基于空間正交條紋投影的多分辨三維數(shù)字成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于空間正交條紋投影的多分辨三維數(shù)字成像方法，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。
背景技術(shù)：
在基于條紋投影和相位測量的三維成像技術(shù)中，投影條紋作為單一頻率的空間載波投射到物體上，將物體的深度信息編碼在調(diào)制后的空間載波相位之中。成像裝置和光電探測器獲取單幅或多幅編碼空間載波圖像，通過對所說的編碼載波圖像進行光學(xué)或數(shù)字解碼重構(gòu)出物體的深度數(shù)據(jù)。物體形貌調(diào)制的空間載波圖像的解碼方法包括相移輪廓術(shù)、傅里葉變換輪廓術(shù)和空間相位探測術(shù)。所說的方法采用相同的結(jié)構(gòu)，投影裝置和成像裝置位于空間同一平面內(nèi)，所產(chǎn)生的空間載波條紋的取向垂直于投影裝置的出瞳與成像裝置的入瞳的連線。因此，這種結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生單一取向的空間載波條紋對物體的深度信息在單一方向上進行編碼，這種結(jié)構(gòu)只具有一個自由度。對于一個任意的自由曲面，其形貌和拓撲結(jié)構(gòu)事先無從獲知，也無法事先知道載波條紋受物體形貌調(diào)制的程度，物體形貌和拓撲結(jié)構(gòu)的任意性和復(fù)雜性可能使得空間載波條紋在物體形貌的某些方向上調(diào)制度太低或太高，而無法精確獲得這部分深度數(shù)據(jù)。調(diào)制度太高往往對應(yīng)物體表面梯度很大或拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜的形狀部分，這時由于存在深度相位模糊而無法獲得這部分的正確形狀。所以，現(xiàn)有的三維成像方法對表面形狀和拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體不具有普適性。例如，對人體三維成像時，由于人體各部位器官的形狀，如臉部、肢體等使得空載波條紋的相位具有不同的調(diào)制程度。經(jīng)驗表明對自然站立人體的面部投影垂直條紋，而對軀干部分投射水平條紋，以獲取最佳相位調(diào)制度的空間條紋載波結(jié)構(gòu)光圖像。從而，利用現(xiàn)有的技術(shù)在測試過程中必須對整個裝置或被測對象旋轉(zhuǎn)90度才能分兩次實現(xiàn)對人體全身的空間編碼，這為測量帶來很多不便。而造成這種結(jié)果的根本原因，就是現(xiàn)有技術(shù)不能利用同一結(jié)構(gòu)快速實施對物體表面形貌在二維方向上進行空間編碼和三維數(shù)字成像。
可對比的技術(shù)文獻有下以四篇[1]發(fā)明專利申請?zhí)?0107371.0[2]發(fā)明專利申請?zhí)?8111691.4[3]M.Alexzander，el al，“Structured-light，triangulation-based three dimensional digitizer”.USPatent 6,549,288[4]M.Halioua and V.Srinivasan，“Method and apparatus for surface profilometry”.US Patent
4,641,972[5]發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于空間正交條紋投影實現(xiàn)多分辨三維數(shù)字成像的方法，它可以在同一裝置上實現(xiàn)對物體的垂直、水平二維方向上的正交空間載波編碼，并以兩個自由度解碼空間調(diào)制載波的相位測量和實現(xiàn)物體表面的三維數(shù)字成像，使三維數(shù)字成像技術(shù)中對任意自由曲面物體具有普適性。
為達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的采用包括數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成的單套成像裝置，或雙套成像裝置，實施對物體多分辨率的三維數(shù)字成像方法。其特征在于包括以下過程數(shù)字投影照明發(fā)射器以固定仰角投射空間載波條紋照明物體，提升并偏轉(zhuǎn)圖像傳感接收器使其光軸與投影條紋照明場的中心位于同一直線。數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳的中心連線在水平(x)和垂直(y)方向各有一個投影線，以二者在水平方向上的投影線為基線與被照明物體構(gòu)成一個平行于z-o-x平面的三角形，此時數(shù)字投影照明發(fā)射器以投射取向垂直于所說投影線的空間載波條紋照明物體；以在垂直方向上的投影線為基線與被照明物體構(gòu)成另外一個平行于z-o-y平面的三角形，此時數(shù)字投影照明發(fā)射器以投射水平取向的空間載波條紋照明物體。在二維方向上的空間載波條紋對描述自由表面物體形貌的深度進行空間編碼，對所獲得空間編碼的載波結(jié)構(gòu)光再經(jīng)過數(shù)字解碼后在二維方向上得到物體的三維深度圖像信息。
上述的二維方向上的空間載波條紋的頻率相同或不同；兩種方向的條紋圖順序投影到物體，或同時投影到物體。
上述的數(shù)字解碼的方法用相移輪廓術(shù)或者傅里葉變換輪廓術(shù)。
上述的數(shù)字解碼后在二維方向上得到物體的三維深度圖像過程，首先通過折疊相位圖中的跳變數(shù)目的差異來判斷分辨率的高低，再通過“遞推”實現(xiàn)分辨率較低的折疊相位圖獲得較高分辨率的空間相位重建的過程融合物體的二維方向上分別獲得深度信息。
與已有的方法和技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點它可以在同一裝置上實現(xiàn)對物體的垂直、水平二維方向上的正交空間載波編碼，并以兩個自由度解碼空間調(diào)制載波的相位測量和實現(xiàn)物體表面的三維數(shù)字成像。該技術(shù)可以根據(jù)物體表面的形貌，無需任何機械或電子調(diào)整就可投射垂直或(和)水平兩種正交載波條紋，對物體在二維方向進行空間載波編碼和三維數(shù)字成像，解決了現(xiàn)有三維數(shù)字成像技術(shù)中所存在的對任意自由曲面物體不具普適性的問題。


圖1為用以實現(xiàn)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的實施例之一，是采用單套三維數(shù)字成像裝置，空間載波條紋的取向平行于y軸的投影結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的實施例之二，是采用單套三維數(shù)字成像裝置，空間載波條紋的取向平行于x軸的投影結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的實施例之三，是采用雙套三維數(shù)字成像裝置，對物體在兩個視角進行三維數(shù)字成像的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中101為數(shù)字投影照明發(fā)射器，102為投影鏡，103為圖像傳感接收器，104為成像透鏡，105為調(diào)節(jié)桿，106為支架，107為圖像處理器，108為被照明物體，201、202為整套的成像裝置，203為物體。
具體實施例方式
按照上述方法，實現(xiàn)空間正交條紋投影法的多分辨率三維數(shù)字成像的裝置，主要包括數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器。所說的數(shù)字投影照明發(fā)射器可以是數(shù)字液晶投影裝置(LCD投影儀)，數(shù)字微鏡投影裝置(DMD投影儀)或硅基片液晶投影裝置(LCOS投影儀)，可用計算機圖像處理系統(tǒng)方便地生成空間混頻率的多種周期結(jié)構(gòu)圖案(例如，垂直、水平或混頻條紋圖)并寫入數(shù)字投影裝置，所說的空間混頻率的多種周期結(jié)構(gòu)用于照明被測物體；所說的圖像傳感接收器包括光學(xué)成像透鏡與光電探測器構(gòu)成，光學(xué)成像透鏡可以是定焦距或變焦距的成像透鏡或透鏡組，二元光學(xué)成像系統(tǒng)，衍射元件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所說的光電探測器件可以是電荷耦合器件，液晶器件，空間光調(diào)制器件，CMOS器件或數(shù)碼相機。所說的圖像處理器是數(shù)字信號處理器與可編程專用集成電路的組合，也可以是通用圖像處理卡和計算機組合構(gòu)成。其特征在于，數(shù)字投影照明發(fā)射器以固定仰角投射條紋，圖像傳感接收器放置在條紋照明場的中心所處的水平面內(nèi)，并偏轉(zhuǎn)一定的角度，使它的光軸與條紋照明場的中心處于一條直線。本裝置的工作距和工作視場可靈活調(diào)整，只要相應(yīng)提升或降低圖像傳感接收器，并適當(dāng)調(diào)整圖像傳感接收器偏轉(zhuǎn)角度，保證其光軸與條紋照明場的中心處于同一直線即可獲得不同的工作距和工作視場，實現(xiàn)廣泛一類不同尺寸、不同形狀、以及不同拓撲結(jié)構(gòu)的自由表面物體的三維數(shù)字成像。
下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述。
如附圖1所示，數(shù)字投影照明發(fā)射器101與圖像傳感接收器103分別位于平行于xoz平面的不同平面內(nèi)。數(shù)字投影照明發(fā)射器101的投影鏡102的出瞳P和圖像傳感接收器103的成像透鏡104的入瞳E的連線PE在x(水平)和y(垂直)方向的投影為CE和CP，其中C是過P點并平行于y方向的直線與過E點并平行于x方向的直線的相交點，分別以CE和CP投影線作為基線，可分別得到與被照明視場的中心點構(gòu)成空間方位相互垂直的兩個三角形，從而實現(xiàn)在x和y的二維正交方向上對物體進行空間相位調(diào)制。調(diào)節(jié)桿105用來調(diào)節(jié)圖像傳感接收器103的高度和角度，通過升降和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿105使圖像傳感接收器103的光軸通過條紋照明場的中心，支架106用來固定調(diào)節(jié)桿105和支撐圖像傳感接收器103。數(shù)字投影照明發(fā)射器101所需的空間載波條紋圖由圖像處理器107的計算機或數(shù)字信號處理器產(chǎn)生。表征任意自由表面物體形貌的深度信息對載波條紋進行空間相位編碼，其結(jié)果通過圖像傳感接收器103傳送到圖像處理器107。
附圖2是本發(fā)明單套裝置在xoz平面所構(gòu)成的垂直條紋投影的三維數(shù)字成像示意圖。數(shù)字投影照明發(fā)射器101以固定仰角投射垂直條紋照明物體108，這時構(gòu)成了以PE在x方向的投影CE為基線的垂直條紋投影的三維數(shù)字成像結(jié)構(gòu)。圖像傳感接收器103接收調(diào)制的條紋結(jié)構(gòu)光，在x(水平)方向獲得空間相位編碼圖，再傳送到圖像處理器107，經(jīng)解碼在x方向上獲得物體三維深度信息。
附圖3是本發(fā)明單套裝置在yoz平面所構(gòu)成的水平條紋投影的三維數(shù)字成像示意圖。數(shù)字投影照明發(fā)射器101以仰角α投射水平條紋照明物體108，此時形成以PE在y方向的投影CP為基線的水平條紋投影的三維數(shù)字成像結(jié)構(gòu)。圖像傳感接收器103接收調(diào)制的條紋結(jié)構(gòu)光，在y(垂直)方向獲得空間相位編碼圖，再傳送到圖像處理器107，經(jīng)解碼后在y方向上獲取物體三維深度信息。
對物體三維數(shù)字成像時，在x、y二維方向上的空間載波條紋的頻率可以相同，也可以不同；兩種方向條紋圖可以順序投影到物體，也可以同時投影到物體。在x、y方向上可以分別獲取物體的不同分辨率的三維深度信息，通過融合這兩個深度像數(shù)據(jù)，獲得物體多分辨的三維數(shù)字像。對不同大小的物體，可以通過調(diào)節(jié)桿垂直方向升降和面內(nèi)旋轉(zhuǎn)兩個自由度調(diào)節(jié)圖像接收器的空間位置，以獲得物體的最佳視圖和更大的動態(tài)測試范圍。
附圖4是本發(fā)明雙套裝置在不同視角對物體同時進行三維成像的結(jié)構(gòu)示意圖。三維數(shù)字成像裝置201于任一視角在二維方向上獲取對物體203的數(shù)字像，另外一套裝置202可以同時于另外一個視角在二維方向上獲取物體的數(shù)字像，兩套裝置在二維方向上投射條紋的頻率和投射條紋的順序均相互獨立，分別在不同視角對物體的三維數(shù)字成像。
權(quán)利要求
1.一種于基空間正交條紋投影的多分辨三維數(shù)字成像方法，該方法采用包括數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成的單套成像裝置，或雙套成像裝置，實施對物體多分辨率的三維數(shù)字成像，其特征在于包括以下過程數(shù)字投影照明發(fā)射器以固定仰角投射空間載波條紋照明物體，提升并偏轉(zhuǎn)圖像傳感接收器使其光軸與投影條紋照明場的中心位于同一直線，數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳的中心連線在水平和垂直方向各有一個投影線，以二者在水平方向上的投影線為基線與被照明物體構(gòu)成一個平行于z-o-x平面的三角形，此時數(shù)字投影照明發(fā)射器可以投射取向垂直于所說投影線的空間載波條紋照明物體；以在垂直方向上的投影線為基線與被照明物體構(gòu)成另外一個平行于z-o-y平面的三角形，此時數(shù)字投影照明發(fā)射器可以投射水平取向的空間載波條紋照明物體，在二維方向上的空間載波條紋對描述自由表面物體形貌的深度進行空間編碼，對所獲得空間編碼的載波結(jié)構(gòu)光再經(jīng)過數(shù)字解碼后在二維方向上得到物體的三維深度圖像信息。
2.按權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于二維方向上的空間載波條紋的頻率相同或不同；兩種方向的條紋圖順序投影到物體，或同時投影到物體。
3.按權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于數(shù)字解碼的方法用相移輪廓術(shù)或者傅里葉變換輪廓術(shù)。
4.按權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于數(shù)字解碼后在二維方向上得到物體的三維深度圖像過程，首先通過折疊相位圖中的跳變數(shù)目的差異來判斷分辨率的高低，再通過“遞推”實現(xiàn)分辨率較低的折疊相位圖獲得較高分辨率的空間相位重建的過程融合物體的二維方向上分別獲得深度信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于空間正交條紋投影的多分辨三維數(shù)字成像方法，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。該方法采用圖像發(fā)射器、圖像接收器和圖像處理器構(gòu)成的單套或雙套成像裝置，其過程是，發(fā)射器以投射取向垂直于空間載波條紋照明物體和發(fā)射器以投射水平取向的空間載波條紋照明物體，然后對在二維方向上的空間載波條紋深度進行空間編碼，解碼后在二維方向上得到物體的三維深度圖像信息。本發(fā)明優(yōu)點在于，在同一裝置上無需任何機械或電子調(diào)整，實現(xiàn)對物體的垂直、水平方向上的正交空間載波編碼，并以兩個自由度解碼空間調(diào)制載波的相位測量和實現(xiàn)物體表面的三維數(shù)字成像，解決了現(xiàn)有三維數(shù)字成像技術(shù)中所存在的對任意自由曲面物體不具普適性的問題。
文檔編號G01B11/24GK1595057SQ20041001997
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者彭翔, 田勁東, 牛憨笨 申請人:深圳大學(xué)