消除背景光的方法、装置、计算机设备和存储介质与流程
本发明涉及光学三维测量领域，特别是涉及一种消除背景光的方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
背景技术：
基于结构光照明的光学三维传感技术在工业检测、产品质量控制、机器视觉、即时定位与地图构建(slam)、影视特技和生物医学等领域有广泛的应用。相位测量轮廓术(pmp)由于其测量精度高、获取的数据密度高，是一种重要的光学三维传感技术。在相位测量轮廓术中要求背景光在一次测量中恒定不变，否则测量的相位中存在和条纹同频的波动状误差，最后获得的三维数据中同样存在这种误差。在室内三维测量中，工频照明环境光是常见的变化背景光。
传统地，有三种方法去除背景光，第一种方法是采用环境光光谱中不存在的具有特别光谱(如紫外光或红外光)的投影光源，在摄像机镜头前加滤光装置，滤除环境光。这种方法实现有一定难度，并且使用场合有一定限制。比如紫外光源不适合人体或其他生物三维测量；且环境光中存在较多短波红外成分，而且一般图像传感器对长波红外线灵敏度低。第二种方法是通过对采集的变形条纹图像进行平均值校正和对比度校正以去除环境背景光。但是该方法要进行图像的均方差计算和傅里叶变换等运算，算法比较复杂。同时该方法假设测量过程中采集的每幅图像的平均值近似相等，在一些情况下该假设和实际偏差较大。第三种方法是将投影和采集图像时间设置成环境光的整数周期倍或曝光时间远大于其周期，但是该方法不利于快速测量。
技术实现要素：
本申请实施例提供一种消除背景光的方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，可以快速并精确地去除变形条纹图中的背景光。
一种消除背景光的方法，所述方法包括：
在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；
根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；
根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量；
根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。
在一实施例中，在背景光下投影至少三套相移正弦条纹。
在一实施例中，所述背景光包括环境背景光，且所述环境背景光为工频照明环境光。
在一实施例中，所述根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和包括：
根据投影仪背景光强、环境背景光直流分量、曝光时间以及背景光分量参数建立每一套相移正弦条纹在每一幅变形条纹图的背景光强表达式；
根据所述背景光强表达式，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和。
在一实施例中，所述计算每套所述相移正弦条纹的条纹和包括：
计算至少三套相移正弦条纹的条纹和。
在一实施例中，所述根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量包括：
根据至少三套相移正弦条纹的条纹和，利用最小二乘法，计算得到背景光分量参数；
将背景光分量参数代入背景光强表达式，计算得到每幅所述变形条纹图的背景光分量。
在一实施例中，所述方法还包括：
获取消除背景光分量的变形条纹图中各像素点的图像坐标；
根据消除背景光分量的变形条纹图，计算各像素点变形条纹相位；
根据各像素点变形条纹相位查找相位高度映射关系，得到各像素点高度坐标；
根据变形条纹图中各像素点的图像坐标以及变形条纹图中各像素点的高度坐标，生成三维图像。
一种消除背景光的装置，所述装置包括：
获取模块，用于在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；
第一计算模块，用于根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；
第二计算模块，用于根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量；
背景光消除模块，用于根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。
本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上方法的步骤。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例提供的消除背景光的方法，通过在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；然后根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量，并根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量，可以快速并精确地去除变形条纹图中的背景光。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中提供的一种消除背景光的方法的流程图；
图2为一个实施例中提供的一幅变形条纹图；
图3a为图1中的变形条纹图采用同频相移正弦条纹得到的变形条纹图；
图3b为图1中的变形条纹图采用同频相移正弦条纹消除背景光后得到的变形条纹图；
图4为一个实施例中提供的塑像额头上的1行变形条纹在消除背景光前后的相位对比图；
图5a为图1中的变形条纹图采用不同频相移正弦条纹采用多频外差法得到的变形条纹图；
图5b为图1中的变形条纹图消除背景光后采用不同频相移正弦条纹采用多频外差法得到的变形条纹图；
图6为一个实施例中提供的一种消除背景光的装置的结构示意图；
图7为一个实施例中电子设备的内部结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为一个实施例中提供的一种消除背景光的方法的流程图，如图1所示，消除背景光的方法包括步骤110至步骤140，其中，
步骤110，在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图。
相位测量轮廓术是一种重要的三维传感技术，可以通过投影仪向被测物体投影来获取被测物体的三维形貌。结构光三维测量方法的基本思想是利用结构光投影的几何关系来获得被测物体的三维信息。首先投影仪将具有设定规律的条纹模板投影到被测物体表面，由于被测物体中各点深度的不同，使得条纹模板发生变形，产生变形条纹图，摄像机用于摄取由被测物体表面形状所调制的多幅变形条纹图。
本申请实施例中相位测量轮廓术可以采用整周期等间隔n步相移法，采用整周期等间隔n步相移法时，测量一次相位需要投影n幅条纹，同时拍摄回n幅变形条纹，即测量一次需要投影并同时拍摄一套条纹图。其中，背景光包括投影仪背景光和环境背景光，环境背景光可以为工频照明环境光，且工频照明环境光的工频频率为50hz或60hz。
本实施例是在工频照明环境光的1个或若干个周期内投影多套相移正弦条纹，以在工频照明环境光的1个或若干个周期内进行多次相位测量，即每套相移正弦条纹对应一次相位测量。变化的工频照明环境光降低了相位测量的精度，本申请的目的是消除每一幅变形条纹图的工频照明环境光，提高测量精度。由于每一幅条纹工频照明环境光无法通过一套条纹计算出来，因此需要在工频照明环境光的1个或若干个周期内可以投影多套相移正弦条纹，例如可以在工频照明环境光下投影至少三套相移正弦条纹。具有同周期和同振幅，但是相邻两幅条纹图间有相位差的多个正弦条纹图称为相移正弦条纹。相移正弦条纹可以由计算机生成，并通过投影仪向被测物体进行投射，通过摄像机拍摄获取多幅变形条纹图。在工频照明环境光的1个或若干个周期内可以投影多套相移正弦条纹，且每套相移正弦条纹之间的频率可以相同也可以不同。在环境背景光下投影多套相移正弦条纹可以保证在工频照明环境光的1个周期内有多个采样点，可以提高测量精度。
步骤120，根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和。
变形条纹图可以表示为：
其中，ai(x,y)为背景光强，b(x,y)为变形条纹图的条纹幅度，
根据投影仪背景光强、环境背景光直流分量、曝光时间以及背景光分量参数建立每一套相移正弦条纹在每一幅变形条纹图的背景光强表达式；根据所述背景光强表达式，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和。
变形条纹图的相位由下式求得：
在背景光下，第j(j＝1,2,...,m)套相移正弦条纹在第i(j＝1,2,...,n)幅变形条纹中的背景光分量，即背景光强表达式可以表示如下：
其中，式中ip(x,y)为与投影仪背景光强，是常数；iba(x,y)为环境背景光直流分量，是常数；ibb(x,y)为环境背景光的波动幅值；tji为曝光起始时刻，δt为曝光时间，是常数；f为环境背景光频率。
可以设：
则背景光强表达式可以表示如下:
其中，
根据背景光强表达式，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和。以计算第j套相移正弦条纹的条纹和为例进行说明，第j套相移正弦条纹的条纹和为第j套相移正弦条纹在n幅变形条纹中的背景光强的总和，可以通过以下表达式计算得到：
其中，
采用上述计算方法计算出至少三套相移正弦条纹的条纹和。
步骤130，根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的环境背景光分量。
根据至少三套相移正弦条纹的条纹和，利用最小二乘法，计算得到背景光分量参数；在得到至少三套相移正弦条纹的条纹和后，利用最小二乘法计算背景光分量参数，具体如下：
设定x＝nic(x,y)，y＝i″bb(x,y)cos2πft11，z＝-i″bb(x,y)sin2πft11以组成向量x＝[xyz]t；
设定矩阵
设定矩阵
根据x＝a-1b计算出x，从而求解的量x，y，z可得：
2πft11＝-arctg(z/y)(11)
将背景光分量参数代入背景光强表达式，计算得到每幅所述变形条纹图的背景光分量。
背景光强表达式中的未知变量i′bb(x,y)可以表示为：
将该表达式(12)以及
步骤140，根据背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。
针对每一幅变形条纹图，均与该幅对应的背景光分量作差，以消除该幅所述变形条纹图中的背景光分量。
每幅变形条纹图具体可通过下式处理：
从而可以去除第j套相移正弦条纹的条纹和在第i幅变形条纹的背景光分量，通过将i和j取不同的值就可以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。i′ji(x,y)即为消除背景光分量的变形条纹图。
本实施例提供的消除背景光的方法，通过在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；然后根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的环境背景光分量，并根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量，可以快速并精确地去除变形条纹图中的背景光。
在一实施例中，所述方法还包括：获取消除背景光分量的变形条纹图中各像素点的图像坐标；根据消除背景光分量的变形条纹图，计算各像素点变形条纹相位；根据各像素点变形条纹相位查找相位高度映射关系，得到各像素点高度坐标；根据变形条纹图中各像素点的图像坐标以及变形条纹图中各像素点的高度坐标，生成三维图像。
每一幅变形条纹图均包含多行或多列条纹，且每一行或每一列条纹均包含多个像素点，可以首先获取每一行或每一列条纹中多个像素点的图像坐标，然后根据消除背景光分量的变形条纹图，计算出每一像素点变形条纹相位。另外，由于在光学三维传感技术中，条纹的相位和物体的高度存在一定的映射关系，即可以根据条纹中某一像素点的相位求出物体在像素点对应的高度，然后根据摄像机模型，并由变形条纹图中各像素点的高度坐标求出物体的横向坐标(高度是纵向坐标，与高度垂直平面上的坐标是横向坐标)，从而可以生成三维图像。根据变形条纹图的相位获取物体的三维图像为现有技术，具体可参考李勇,苏显渝.可获取彩色纹理的pmp三维测量系统[j].浙江师范大学学报(自然科学版),2006(01):37-41.中的描述，本实施例不再赘述。
本申请实施例中，分别用3套周期为18像素的同频相移正弦条纹和3套周期为18、21、21.5像素的不同频相移正弦条纹进行了实验，对消除背景光与未消除背景光的相位测量结果进行了对比。实验中采用整周期等间隔3步相移法，同频条纹采用可靠度导向的相位展开方法得到连续相位，不同频条纹采用多频外差法得到连续相位。条纹投影-拍摄周期时间为1/200秒。
实验结果如下(结果中的相位为减去参考平面相位后的值)：图2是其中一幅变形条纹图。图3a是同频相移正弦条纹未消除背景光时的变形条纹图，从图中可以明显看到与条纹同频的波动状误差。图3b是经过上述背景光消除方法处理后得到的变形条纹图。图4是塑像额头上的1行变形条纹处理前后得到相位的对比。从图3b和图4可以看出，经过本方法处理后，波动状的误差被消除了。图5a是不同频相移正弦条纹采用多频外差法得到的变形条纹图，可以看出相位误差太大导致大量条纹级次计算错误，测量结果已经没有意义。图5b是经过上述背景光消除方法处理后用多频外差法得到的变形条纹图。由此可以看出，本申请提供的背景光消除方法可以精确地消除变形条纹图中的背景光。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
图6为一个实施例中提供的一种消除背景光的装置的结构示意图，如图6所示，消除背景光的装置包括：获取模块610、第一计算模块620、第二计算模块630和背景光消除模块640，其中，
获取模块610，用于在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；
在一实施例中，在背景光下投影至少三套相移正弦条纹。
在一实施例中，所述背景光包括环境背景光，且所述环境背景光为工频照明环境光。
第一计算模块620，用于根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；
在一实施例中，第一计算模块620根据投影仪背景光强、环境背景光直流分量、曝光时间以及背景光分量参数建立每一套相移正弦条纹在每一幅变形条纹图的背景光强表达式；
根据所述背景光强表达式，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和。
在一实施例中，计算至少三套相移正弦条纹的条纹和。
第二计算模块630，用于根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量；
在一实施例中，第二计算模块630根据至少三套相移正弦条纹的条纹和，利用最小二乘法，计算得到背景光分量参数；
将背景光分量参数代入背景光强表达式，计算得到每幅所述变形条纹图的背景光分量。
背景光消除模块640，用于根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。
在一实施例中，消除背景光的装置还包括三维图像生成模块(图中未示出)，用于获取消除背景光分量的变形条纹图中各像素点的图像坐标；
根据消除背景光分量的变形条纹图，计算各像素点变形条纹相位；
根据各像素点变形条纹相位查找相位高度映射关系，得到各像素点高度坐标；
根据变形条纹图中各像素点的图像坐标以及变形条纹图中各像素点的高度坐标，生成三维图像。
上述消除背景光的装置中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将消除背景光的装置按照需要划分为不同的模块，以完成上述消除背景光的装置的全部或部分功能。
关于消除背景光的装置的具体限定可以参见上文中对于消除环境背景光的方法的限定，在此不再赘述。上述消除背景光的装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本申请实施例中提供的消除背景光的装置中的各个模块的实现可为计算机程序的形式。该计算机程序可在终端或服务器上运行。该计算机程序构成的程序模块可存储在终端或服务器的存储器上。该计算机程序被处理器执行时，实现本申请实施例中所描述方法的步骤。
图7为一个实施例中计算机设备的内部结构示意图。如图7所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该处理器用于提供计算和控制能力，支撑整个计算机设备的运行。存储器用于存储数据、程序等，存储器上存储至少一个计算机程序，该计算机程序可被处理器执行，以实现本申请实施例中提供的适用于计算机设备的无线网络通信方法。存储器可包括非易失性存储介质及内存储器。非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该计算机程序可被处理器所执行，以用于实现以下各个实施例所提供的一种消除背景光的方法。内存储器为非易失性存储介质中的操作系统计算机程序提供高速缓存的运行环境。网络接口可以是以太网卡或无线网卡等，用于与外部的计算机设备进行通信。该计算机设备可以是移动终端、平板电脑或者个人数字助理或穿戴式设备等。
其中，上述提及的消除背景光的方法具体可以为：在背景光下通过投影仪投影多套相移正弦条纹，并获取多幅变形条纹图；根据所述变形条纹图，计算每套所述相移正弦条纹的条纹和；根据所述条纹和，计算每幅所述变形条纹图的背景光分量；根据所述背景光分量对多幅所述变形条纹图进行处理，以消除多幅所述变形条纹图中的背景光分量。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质。一个或多个包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行消除背景光的方法的步骤。
一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行消除背景光的方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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