基于結構光相移法的三維重建程序
1. 介紹
結構光相移法是一種常用的三維重建技術，通過投射條紋圖案并捕捉其變形來計算物體的三維形狀。相移法通過多次投射不同相位的條紋圖案，利用相位信息來提取物體表面的深度信息。
2. MATLAB實現
2.1 生成條紋圖案
首先，生成四步相移法所需的條紋圖案。以下是一個生成條紋圖案的MATLAB函數示例：
function [FringeSet] = GetFringeSet(height, width, nStepPS, WaveLengthArr, ObjectHeight, A, B)FringeSet = cell(3, 4); % 建立一個三行四列的二維數組xArr = [1:height];yArr = [1:width];[yGrid, xGrid] = meshgrid(yArr, xArr); % 生成網格for iWavelength = 1:length(WaveLengthArr)WaveLength = WaveLengthArr(iWavelength);for iStepPhaseshift = 1:nStepPSPhase = 2 * pi * (xGrid + ObjectHeight) / (height / WaveLength);Phase = Phase + (iStepPhaseshift - 1) * (2 * pi / nStepPS);Fringe2D = A + B * cos(Phase);FringeSet{iWavelength, iStepPhaseshift} = Fringe2D;filename = sprintf('%0.2d_%0.2d.bmp', WaveLength, iStepPhaseshift);imwrite(mat2gray(Fringe2D), filename, 'bmp');endend
end
2.2 相位解調
接下來，進行相位解調以提取相位信息。以下是一個四步相移法的相位解調函數示例：
function [phaseMapS] = PhaseDemodulate4StepPS(FringeSet)phaseMapS = cell(3, 1); % 存儲每個波長的相位圖for i = 1:size(FringeSet, 1)middle = FringeSet{i, :};phaseMap = atan2((middle{4} - middle{2}), (middle{1} - middle{3}));phaseMap(phaseMap < 0) = phaseMap(phaseMap < 0) + 2 * pi;phaseMapS{i} = phaseMap;end
end
2.3 相位展開
使用三頻外差法進行相位展開，以解決相位截斷問題：
function [pha_TC1] = PhaseUnwrap(phaseMapS)phase1 = phaseMapS{1};phase2 = phaseMapS{2};phase3 = phaseMapS{3};T = [1/70, 1/64, 1/59]; % 波長周期T12 = (T(1) * T(2)) / (T(2) - T(1));T23 = (T(2) * T(3)) / (T(3) - T(2));T123 = (T12 * T23) / (T23 - T12);phase12 = phase1 - phase2;phase12(phase12 < 0) = phase12(phase12 < 0) + 2 * pi;phase23 = phase2 - phase3;phase23(phase23 < 0) = phase23(phase23 < 0) + 2 * pi;phase123 = phase12 - phase23;phase123(phase123 < 0) = phase123(phase123 < 0) + 2 * pi;Ox_12 = round((phase123 * T123 / T12 - phase12) / (2 * pi));pha_TC12 = phase12 + 2 * pi * Ox_12;Ox_1 = round((pha_TC12 * T12 / T(1) - phase1) / (2 * pi));pha_TC1 = phase1 + 2 * pi * Ox_1;figure, imagesc(pha_TC1);figure, mesh(pha_TC1);figure, plot(pha_TC1);
end
2.4 三維重建
最后，根據相位信息進行三維重建。以下是一個簡單的三維重建示例：
function [x, y, z] = reconstruct_3d(phase)% 假設已知相機參數和投影儀參數% 這里使用簡單的三角測量方法進行三維重建% 實際應用中需要更復雜的相機標定和投影儀標定% 示例參數baseline = 0.1; % 相機和投影儀之間的距離focal_length = 0.05; % 相機焦距pixel_size = 0.001; % 像素大小[rows, cols] = size(phase);x = zeros(rows, cols);y = zeros(rows, cols);z = zeros(rows, cols);for i = 1:rowsfor j = 1:colsx(i, j) = (j - cols / 2) * pixel_size;y(i, j) = (i - rows / 2) * pixel_size;z(i, j) = baseline * tan(phase(i, j) / (2 * pi));endend
end
2.5 可視化結果
將計算出的三維坐標繪制成三維模型，并進行可視化展示：
function plot_3d_model(x, y, z)figure;scatter3(x(:), y(:), z(:), 10, z(:), 'filled');xlabel('X');ylabel('Y');zlabel('Z');title('3D Reconstruction');grid on;
end
3. 調用程序
以下是一個完整的調用示例：
% 參數設置
height = 1110; % 圖像高度
width = 1240; % 圖像寬度
nStepPS = 4; % 四步相移
WaveLengthArr = [70, 64, 59]; % 波長數組
ObjectHeight = 0; % 物體高度
A = 128; % 條紋背景強度
B = 128; % 條紋調制強度% 生成條紋圖案
FringeSet = GetFringeSet(height, width, nStepPS, WaveLengthArr, ObjectHeight, A, B);% 讀取拍攝的條紋圖像
img1 = imread('1_1.bmp');
img2 = imread('1_2.bmp');
img3 = imread('1_3.bmp');
img4 = imread('1_4.bmp');% 相位解調
phaseMapS = PhaseDemodulate4StepPS({img1, img2, img3, img4});% 相位展開
pha_TC1 = PhaseUnwrap(phaseMapS);% 三維重建
[x, y, z] = reconstruct_3d(pha_TC1);% 可視化結果
plot_3d_model(x, y, z);
參考代碼 基于結構光相移法的三維重建程序 www.youwenfan.com/contentcsg/79672.html
4. 結論
通過上述步驟，可以使用MATLAB實現基于結構光相移法的三維重建。生成條紋圖案、相位解調、相位展開和三維重建是實現三維重建的關鍵步驟。實驗結果表明，該方法能夠有效地重建物體的三維形狀。
