具有嵌入辅助图案的条纹的绝对相位测量的制作方法
【专利说明】具有嵌入辅助图案的条纹的绝对相位测量
[0001] 背景
[0002] 三维形状测量在众多领域中扮演关键角色，包括但不限于制造、医疗、安全和娱 乐。在各种可用的3D扫描技术中，存在投影精心制作的空间编码图案的各种单摄技术，这 些技术适于时间关键情况下的3D测量。公知的Kinect?深度相机属于该类别。（Kinect? 深度相机由PrimeSense开发并被华盛顿州雷蒙德市的微软公司收购）Kinect?投影红外 斑点图案（即，分散点图案），该红外斑点图案是高度随机的，并由此提供足够的可辨识性 来检测空间中的图案变形。然而，任何形式的空间编码在解码期间暗示局部深度平滑性和 邻域依赖性，这不可避免地导致准确性和数据密度的丢失。
[0003] 作为对比，具有条纹投影的相移轮廓测量（PSP)由于其高准确性和高数据密度而 被广泛地采用。一般而言，PSP适合静态测量，因为它要求多个图案被顺序地投影。对于最 常用的正弦条纹，需要至少三个图像来生成相位图。而且，由于正弦信号的周期性，所获取 的相位图是被包裹的（wrapped)。为了恢复绝对相位以用于复杂场景的不模糊3D测量，实 际图像获取数通常比三个多得多。相机和投影仪技术的进步已经使得能够通过PSP来进行 快速且准确的3D扫描。对测量过程的进一步加速可通过减少用于绝对相位恢复的图像获 取数来获得。
[0004] 概述
[0005]本文描述了使用嵌入辅助图案的条纹图案的相移轮廓测量（PSP)，该条纹图案允 许使用理论上最少的仅仅三个图像的准确的相位模糊解决方案。辅助图案被嵌入三个相移 条纹图案，以使得相位计算独立于所嵌入的辅助图案，该辅助图案在不减少条纹的振幅的 情况下被嵌入，并且条纹的频率不受限。在一方面，辅助图案是高度可辨识的斑点图案。从 三个接收到的图像中生成包裹相位图，并且确定连续区域掩模以便在该包裹相位图中指示 各自对应于从中捕捉到这些图像的场景中的连续表面的多个连续区域?；谒度氲母ㄖ?图案，使用期差投票策略（perioddisparityvotingstrategy)来恢复每一区域的绝对相 位。
[0006] 提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本 概述不旨在标识出所要求?；さ闹魈獾墓丶卣骰虮匾卣?，也不旨在用于帮助确定所要 求?；さ闹魈獾姆段?。例如，术语"工具"可以指上述上下文和通篇文档所准许的设备、系 统、方法、和/或计算机可读介质。
[0007] 附图简述
[0008] 参考附图来描述详细描述。在附图中，附图标记最左边的数字标识该附图标记首 次出现的附图。在各附图中，使用相同的标号来指示相同的特征和组件。
[0009] 图1是其中可实现具有嵌入辅助图案的条纹的相移轮廓测量的示例环境的图示。
[0010] 图2是示出示例投影仪和示例相机的严格垂直对齐的图示。
[0011] 图3是示出被配置成实现相移轮廓测量的示例计算设备的各组件的框图。
[0012] 图4是二个不例相移条纹图案的图不。
[0013] 图5是示例模拟随机斑点图案的图示。
[0014] 图6是示出在参考平面捕捉到的斑点图像的归一化互相关（NCC)统计数据的线 图。
[0015] 图7是示出用于在条纹图案中嵌入辅助图案的示例解决方案的图示。
[0016] 图8是示出在参考平面捕捉到的嵌入斑点的条纹图像的归一化互相关（NCC)统计 数据的线图。
[0017] 图9是用于使用嵌入斑点的条纹来执行相移轮廓测量的示例过程的流程图。
[0018] 图10是用于在包裹相位图中执行连续区域检测的示例过程的流程图。
[0019]图11是示出相邻像素的图示，将要分析这些相邻像素以确定作为直接近邻的像 素是否在同一连续区域内。
[0020] 图12是用于确定连续区域掩模中的特定区域的期差的示例过程的流程图。
[0021] 图13是示例连续区域掩模的五个相应区域的五个示例直方图的集合。
[0022] 详细描述
[0023]本文描述了使用嵌入辅助图案的正弦条纹图案的示例相移轮廓测量（PSP)，该正 弦条纹图案允许使用理论上最少的仅仅三个图像的相位模糊解决方案。三个条件的同时满 足导致相位测量的准确性。第一，相位计算独立于所嵌入的信号；第二，条纹振幅不为容纳 所嵌入的信号而减少，由此保持PSP的信噪比（SNR);以及第三，高频条纹可被用来实现高 准确性测量。
[0024] 给定以上三个条件，在设计用于三步PSP的嵌入代码时存在若干挑战。例如，为了 满足第一个条件，所嵌入的信号在三个图像中的每一个中都应该是相同的，这排除了在时 域内编码的可能性。第二个条件显著地显著留给空间编码的空间。如第三个条件所指示的， 如果条纹频率为高，则基于每一周期内的像素强度的差异来标识条纹次序是不可靠的。
[0025] 包裹相位图中的底层模糊性在两个方面受限。第一，给定每一像素的包裹相位，与 绝对相位的可能差异受到条纹周期数的限制。第二，连续表面上的每一像素的期差在直接 空间相位展开后将会是相同的。
[0026] 使用理论上最少的仅仅三个图像的相位模糊解决方案通过使用同时满足以上定 义的三个条件中的每一个的三个嵌入辅助图案的条纹图案来获取。然后，依靠所嵌入的辅 助图案信号，使用高效且稳健的投票策略来逐个区域地，而不是逐个像素地恢复绝对相位。 结果是不模糊的三步PSP，该三步PSP提供了能够测量具有多个分隔对象和不连续的表面 变化的复杂场景的快速且准确的3D扫描。
[0027] 示例环境
[0028] 图1示出了其中可实现使用嵌入辅助图案的条纹投影的相移轮廓测量（PSP)的示 例环境100。示例环境100包括在通信上耦合到投影仪104和相机106的计算设备102以 及与该投影仪和相机的光路正交定向的参考平面1〇8(例如，光滑的墙或屏幕）?；肪?00 还包括场景110,该场景包括一个或多个对象112。
[0029] 为了获取对场景110的三维度量，投影仪104投影嵌有辅助图案116的条纹图案 114。当嵌入辅助图案的条纹118被投影到场景110上时，相机106捕捉到图像120。图1 示出了水平条纹图案114。如此处所描述的PSP还可使用其他条纹图案定向（例如，垂直条 纹图案）来实现。
[0030] 图2示出了投影仪104和相机106的示例垂直对齐。如图所示，在示例实现中， 投影仪104和相机106的光路在垂直方向上严格对齐，如垂直线202所示。在投影仪和相 机垂直对齐的情况下，相机捕捉到的图像将参考从投影仪投影的图像来被垂直而非水平移 位。虽然严格的垂直对齐并非必需，但如果相机和投影仪不是垂直对齐的，则还将存在水平 移位，并且这一水平移位将需要被包括在本文描述的各种计算中。
[0031] 示例计算设备
[0032] 图3示出了实现如本文描述的相移轮廓测量的示例计算设备102的各组件。计算 设备102表示可实现相移轮廓测量的任何类型的设备，包括但不限于台式计算机系统、膝 上型计算机系统、平板计算机系统、移动计算设备等。示例计算设备102包括一个或多个通 信接口 302、一个或多个处理器304和存储器306。通信接口 302使得计算设备能够与诸如 投影仪104和相机106等其他设备进行通信。通信接口 302可包括但不限于网络接口、音 频/视频输入/输出、有线接口、无线接口等。
[0033] 操作系统308、相移轮廓测量应用310以及一个或多个其他应用312作为计算机可 读指令被存储在存储器306中，并且至少部分地在处理器304上执行。
[0034] 相移轮廓测量应用310包括条纹图案?？?14、辅助图案?？?16、嵌入图案?？?318、包裹相位图?？?20、空间相位展开?？?22、相位恢复?？?24以及深