專利名稱：一種三維成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字成像領域，尤其涉及一種三維成像方法及系統(tǒng)。
背景技術：
運動物體三維深度數(shù)據(jù)實時獲取技術在動態(tài)建模、三維數(shù)字視頻序列的獲取方面有著重要的意義。實時獲取運動物體三維深度數(shù)據(jù)的方法大致分為基于時空相關性的方 法，如條紋邊界編碼，以及基于空間相關性的單幅編碼圖方法，如彩色結構光編碼方案、自 適應結構光方法、彩色相移方案等?；趩畏幋a條紋圖的方法具有不受物體運動速度限 制、一次拍攝就可獲得三維數(shù)據(jù)的優(yōu)點，其中用相位進行編碼的方法更以單次拍攝分辨率 高，數(shù)據(jù)密度大而被廣泛關注。使用相位進行編碼包含兩個關鍵技術一是合適的相位解調 的方法；二是有效的相位展開方法。相位解調的方法包括傅立葉變換算法、相移算法等。前 者僅需一幅條紋圖便可解算出相位，但其受噪聲影響大，且基于頻域濾波魯棒性不夠；后者 可求得精確的解析解，噪聲抑制能力強，魯棒性好，但需要三幅或更多的條紋圖，不適用于 運動物體。相位展開方法可分為時間相位展開和空間相位展開。時間相位展開需要多幅條 紋圖，不適用于實時3D重建。傳統(tǒng)的空間相位展開算法如枝切法、可靠性導向法等等，都是 基于物體表面空間相關性的方法，受噪聲點影響大，算法復雜且存在誤差傳遞的問題，成像 不準確。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種三維成像方法，旨在解決現(xiàn)有三維成像方法算 法復雜、準確性低的問題。本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種三維成像系統(tǒng)。本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種三維成像方法，包括以下步驟生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案；投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；采集所述條紋圖像；將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述 兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用所述De Bruign 序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用所述折疊相位及 其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕對相位；利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以及系統(tǒng)參數(shù)，確 定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面的三維圖像。本發(fā)明實施例的另一目的是這樣實現(xiàn)的，一種三維成像系統(tǒng)，包括圖案生成模塊，用于生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組 成的條紋圖案；圖案投射模塊，用于投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；圖像采集模塊，用于采集所述條紋圖像；解碼模塊，用于將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用 所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用 所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕對相位；成像模塊，用于利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以 及系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面的三 維圖像。本發(fā)明實施例提供的三維成像方法及系統(tǒng)使用相位作為編碼，其單次獲取三維數(shù) 據(jù)密度大，分辨率高；易于對所述第一正弦條紋圖像和第二正弦條紋圖像分量進行解碼，過 程簡單，效率高；展開相位時利用De Bruign序列的性質，避免了復雜的算法且沒有誤差傳 遞，三維成像及重建更準確。


圖1是本發(fā)明實施例提供的三維成像方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實施例中投射的彩色正弦結構光圖案的構成示意圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的三維成像系統(tǒng)的結構圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的三維成像系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術的區(qū)別在于，本發(fā)明實施例提供的三維成像方法采用由 兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案，將所述條紋圖案投射 至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；解碼時，將所述條紋圖像分解成兩 幅正弦條紋圖像及一幅De Bruign序列條紋圖像，利用兩幅正弦條紋圖像，獲取與成像物 體的表面形貌相關的折疊相位，利用De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定 所述折疊相位的展開級次，利用所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面 形貌相關的絕對相位；利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以及 系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，最終獲取所述成像物體的表面的 三維圖像。本方法使用相位作為編碼，分辨率高，單次獲取三維數(shù)據(jù)密度大；解碼時利用了 Hilbert變換的性質，過程簡單；展開相位時利用De Bruign序列的性質，避免了復雜的算 法且沒有誤差傳遞，三維成像及重建更準確。本發(fā)明實施例提供一種三維成像方法，所述方法包括以下步驟生成由兩幅正弦 條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案；投射所述條紋圖案至成像物 體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；采集所述條紋圖像；將所述條紋圖像分解 成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物 體的表面形貌相關的絕對相位；利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像 坐標以及系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表 面的三維圖像。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的三維成像方法的實現(xiàn)流程，詳述如下在步驟SlOl中，生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的 條紋圖案。本發(fā)明實施例中，所述條紋圖案為編碼條紋圖案，所述編碼條紋圖案由第一正弦 條紋圖案、第二正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案分置于三個顏色通道生成，所 述De Bruign序列條紋圖案由一個De Bruign序列生成，De Bruign序列碼由De Bruign序 列條紋圖案中的條紋的顏色分量表示，所述De Bruign序列條紋圖案包括黑、白兩種條紋， 黑條紋用0表示，白條紋用1表示。本實施例中所述De Bruign序列條紋圖案由一個2元5 級的DeBruign序列生成，所述De Bruign序列條紋圖案由相連的五個黑白條紋組合而成， 所述De Bruign序列為由0和1組成的長度為5的序列，每一個De Bruign序列唯一對應 了一個相位展開級次，本發(fā)明實施例中01001的De Bruign序列對應的相位展開級次N為
1。所述第一正弦條紋圖案的相移量與第二正弦條紋圖案的相移量之間的差為(η
為整數(shù))，本實施例中所述第一正弦條紋圖案的相移量為0，第二正弦條紋圖案的相移量為
f，由其生成的編碼條紋圖案為彩色正弦結構光圖案。在步驟S102中，投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成 條紋圖像。本發(fā)明實施例中，所述成像物體的表面為非平面。在步驟S103中，采集所述條紋圖像。本發(fā)明實施例為及時獲得物體的三維圖像， 需實時采集所述條紋圖像。在步驟S104中，將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋 圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用 所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用 所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕對相位。本發(fā)明實 施例中，將所述條紋圖像分解成第一正弦條紋圖像、第二正弦條紋圖像及De Bruign序列條 紋圖像。利用所述第一正弦條紋圖像I1和第二正弦條紋圖像I2，獲取與所述成像物體的表 面形貌相關的折疊相位Φ，計算所述折疊相位Φ的步驟具體為對所述第一正弦條紋圖像I1和第二正弦條紋圖像I2分別做傅里葉變換得到F1和 F2，所述傅里葉變換的計算公式為F1 = FFTlIJ , F2 = FFT {Ι2},其中，F(xiàn)FT{ · }為傅里葉變換運算符，對F1-F2做逆傅里葉變換得到ID，所述逆傅里葉變換的計算公式為Id = IFFT (F1-F2I其中，IFFT{ ·}為逆傅里葉變換運算符，對Id做Hilbert變換得到Fm，利用Fm的 實部Re al (Fhd)和虛部Im ag (Firo)解出所述折疊相位Φ，所述折疊相位Φ的計算公式為
<formula>formula see original document page 7</formula>
利用所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列碼，確定所述折疊相位Φ 的展開級次N。本發(fā)明實施例中，由De Bruign序列條紋圖案中連續(xù)5個條紋的顏色分量 (由0或1表示)得到De Bruign序列01001，由此序列便可找到與之對應的相位展開級 次N為1。利用所述折疊相位Φ及其展開級次N，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的 絕對相位Ψ，所述絕對相位Ψ的計算公式為ψ = φ+2 π X N。在步驟S105中，利用所述絕對相位Ψ并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐 標以及系統(tǒng)參數(shù)，計算出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面 的三維圖像。解碼過程中，利用De Bruign序列條紋圖案定出折疊相位的級次進行相位展 開，使用相位作為編碼實現(xiàn)實時、高分辨三維數(shù)字成像。本領域的普通技術人員可以理解，實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟可以 通過程序來指令相關的硬件完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如ROM/ RAM、磁盤、光盤等。本發(fā)明實施例還提供一種三維成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括圖案生成模塊，用于生成 由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案；圖案投射模塊，用 于投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；圖像采集模 塊，用于采集所述條紋圖像；解碼模塊，用于將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關 的折疊相位，利用所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位 的展開級次，利用所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕 對相位；成像模塊，用于利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以 及系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面的三 維圖像。圖3示出了本發(fā)明實施例提供的三維成像系統(tǒng)的結構原理，為了便于描述，僅示 出了與本發(fā)明實施例相關的部分。所述圖案生成模塊31生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案 組成的條紋圖案。圖案投射模塊32投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面 調制形成條紋圖像。圖像采集模塊33采集所述條紋圖像。解碼模塊34將所述條紋圖像分解 成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述 成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign 序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物 體的表面形貌相關的絕對相位。成像模塊35利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表 面各點的圖像坐標以及系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述 成像物體的表面的三維圖像。上述各個模塊(單元)的工作原理如上文所述，此處不再加以贅述。上述三維成像系統(tǒng)的各個單元(模塊)可以為軟件單元、硬件單元或者軟硬件結 合的單元，軟件單元部分可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如ROM/RAM、磁盤、光盤
本發(fā)明實施例中所述圖案投射模塊內置于數(shù)字投影照明發(fā)射器，所述圖像采集模塊內置于圖像傳感接收器，所述圖案生成模塊、解碼模塊以及成像模塊內置于圖像處理器。 所述數(shù)字投影照明發(fā)射器可以是數(shù)字液晶裝置OXD投影儀)，數(shù)字微透鏡裝置(DMD投影 儀)或硅基片液晶投影裝置(LC0S投影儀)，可用計算機圖像處理系統(tǒng)方便的生成彩色正弦 結構光圖案并寫入數(shù)字投影裝置，所述彩色正弦結構光圖案用于照明成像物體；所述圖像 傳感接收器由光學成像透鏡和光電探測器構成，所述光學成像透鏡可以是定焦距或變焦距 的成像透鏡或透鏡組，二元光學成像系統(tǒng)，衍射原件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所述光電探 測器件可以是電荷耦合器件、液晶器件、空間光調制器，CMOS器件或數(shù)碼相機。所述圖像處 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 的組合。所述數(shù)字投影照明發(fā)射器以固定角度投射所述條紋圖案，所述圖像傳感接收器置 于所述條紋圖案的照明場的中心所處的平面并偏轉一定角度，所述條紋圖案的照明場的中 心位于所述圖像傳感接收器的光軸上。如圖4所示，所述數(shù)字投影照明發(fā)射器101的投影鏡104的出瞳P、圖像傳感接收 器102的成像透鏡105的入瞳C以及所述條紋圖案的照明場的中心0位于同一平面，并構 成一個三角形，投影光軸PO與成像光軸CO所成的夾角為α ；以PC連線為基線，它和形成于 所述成像物體的表面的條紋圖像上的點構成三角形，即形成三角測量系統(tǒng)。所述數(shù)字投影 照明發(fā)射器101和圖像傳感接收器102設于調節(jié)桿107，所述調節(jié)桿107用于調節(jié)數(shù)字投影 照明發(fā)射器101與圖像傳感接收器102的相對位置及夾角。所述數(shù)字投影照明發(fā)射器101 所需的彩色正弦結構光圖案由圖像處理器103的計算機或數(shù)字信號處理器產生，將彩色正 弦結構光圖案投射至所述成像物體106，受所述成像物體的表面調制的條紋圖案由所述圖 像傳感接收器102采集或接受，并傳送至所述圖像處理器103，通過數(shù)字解碼，計算出所述 成像物體的表面的三維數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明實施例利用Hilbert變換的性質進行相位解調，利用De Bruign序列的性 質進行相位展開，避免了復雜的算法，且沒有誤差傳遞的問題，是一種有效的實時、高分辨 三維數(shù)字成像方法及系統(tǒng)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種三維成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案；投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；采集所述條紋圖像；將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像，利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用所述De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用所述折疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕對相位；利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以及系統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面的三維圖像。
2.如權利要求1所述的三維成像方法，其特征在于，所述生成由兩幅正弦條紋圖案及 一幅De Bruign序列條紋圖案組成的條紋圖案的步驟具體為生成條紋圖案，所述條紋圖案由第一正弦條紋圖案、第二正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案分置于三個顏色通道生成，所述第一正弦條紋圖案的相移量與第二正弦條紋圖案的相移量相差2η π ，其中η為整數(shù)；所述將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像的步驟具體為將所述條紋圖像分解成第一正弦條紋圖像、第二正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋 圖像；所述利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位的 步驟具體為利用所述第一正弦條紋圖像和第二正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相 關的折疊相位。
3.如權利要求2所述的三維成像方法，其特征在于，所述獲取與所述成像物體的表面 形貌相關的折疊相位的步驟具體為對所述第一正弦條紋圖像I1和第二正弦條紋圖像I2分別做傅里葉變換得到F1和F2, 對F1-F2做逆傅里葉變換得到ID，對Id做Hilbert變換得到Fm，利用Fm的實部Real (Fhd)和 虛部Imag(Fm)解出所述折疊相位，所述折疊相位的計算公式為其中，Φ為折疊相位。
4.如權利要求3所述的三維成像方法，其特征在于，所述絕對相位的計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Ψ為絕對相位，Φ為折疊相位，N為折疊相位的展開級次。
5.如權利要求1所述的三維成像方法，其特征在于，所述DeBruign序列條紋圖案由 De Bruign序列生成，每個De Bruign序列唯一對應折疊相位的展開級次；De Bruign序列 碼由De Bruign序列條紋圖案中的條紋的顏色分量表示，所述De Bruign序列條紋圖案包 括黑、白兩種條紋，黑條紋用O表示，白條紋用1表示。
6.一種三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括圖案生成模塊，用于生成由兩幅正弦條紋圖案及一幅De Bruign序列條紋圖案組成的 條紋圖案；圖案投射模塊，用于投射所述條紋圖案至成像物體，經所述成像物體的表面調制形成 條紋圖像；圖像采集模塊，用于采集所述條紋圖像；解碼模塊，用于將所述條紋圖像分解成兩幅正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像， 利用所述兩幅正弦條紋圖像，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的折疊相位，利用所述 De Bruign序列條紋圖像，獲取De Bruign序列，確定所述折疊相位的展開級次，利用所述折 疊相位及其展開級次，獲取與所述成像物體的表面形貌相關的絕對相位；成像模塊，用于利用所述絕對相位并結合所述成像物體的表面各點的圖像坐標以及系 統(tǒng)參數(shù)，確定出所述成像物體的表面各點的三維坐標，獲取所述成像物體的表面的三維圖 像。
7.如權利要求6所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圖案生成模塊、解碼模塊及成 像模塊內置于圖像處理器，所述圖案投射模塊內置于數(shù)字投影照明發(fā)射器，所述圖像采集 模塊內置于圖像傳感接收器。
8.如權利要求7所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字投影照明發(fā)射器以固定 角度投射所述條紋圖案，所述圖像傳感接收器具有一成像透鏡，所述成像物體的中心位于 所述成像透鏡的光軸。
9.如權利要求8所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字投影照明發(fā)射器具有一 投影鏡，所述投影鏡的出瞳與所述成像透鏡的入瞳以及形成于所述成像物體的表面的條紋 圖像上的點構成三角形。
10.如權利要求7所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字投影照明發(fā)射器和圖像 傳感接收器設在用于調節(jié)所述數(shù)字投影照明發(fā)射器與圖像傳感接收器的相對位置及夾角 的調節(jié)桿上。
全文摘要
本發(fā)明適用于三維成像，提供了一種三維成像方法及系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟生成并投射條紋圖案，所述條紋圖案經所述成像物體的表面調制形成條紋圖像；將所述條紋圖像分解成第一正弦條紋圖像、第二正弦條紋圖像及De Bruign序列條紋圖像；對分解后的圖像進行解碼；圖像解碼后結合其圖像坐標以及系統(tǒng)參數(shù)進行三維成像。所述三維成像系統(tǒng)包括圖案生成模塊、圖案投射模塊、圖像采集模塊、解碼模塊以及成像模塊。本發(fā)明實施例提供的三維成像方法及系統(tǒng)使用相位作為編碼，其單次獲取三維數(shù)據(jù)密度大；解碼時利用Hilbert變換的性質，過程簡單；展開相位時利用De Bruign序列的性質，避免了復雜的算法且沒有誤差傳遞，分辨率高，三維成像及重建更準確。
文檔編號G01B11/25GK101825443SQ20101012112
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權日2010年3月9日
發(fā)明者劉曉利, 彭翔, 李阿蒙, 郭繼平 申請人:深圳大學