一种基于彩色光栅的快速三维立体重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面贴装设备中的图像处理领域，特别涉及一种基于彩色光栅的快速 三维立体重建方法。
【背景技术】
[0002] 目前，三维立体重建有多种方法，如：双目视觉立体重建技术、基于物体外部轮廓 线的立体重建技术、深度图像和彩色图像相结合的立体重建方法以及光栅投影立体重建方 法等。
[0003] 经典的光栅立体重建方法采用的是相位测量法，其基本原理是：将光栅分别投影 到参考平面和被测物体表面，由于参考平面选取的是水平平面，投影到上面的参考光栅不 会发生变形；当光栅投影到被测物体表面时，光栅会产生不同程度的变形，这是由于投影光 栅受到了被测物体表面高度的调制，这种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信 号。所放置的被测物体高度不同，光栅的相位变化程度也随之不同，二维平面变形条纹的相 位变化中携带有物体表面的三维形貌信息。因此，通过求取相位的变化值，就可以得到物体 在相应点处的高度，从而得到三维物体的轮廓形状。
[0004] 但是经典的光栅投影法对投影仪与摄像机的几何放置关系有严格要求，在实际操 作不利于调整。而且经典法使用的投影光线是灰度结构光，其单幅信息量小，实现编码需要 投影多幅图像，不利于实时性。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于彩色光栅的快速三维 立体重建方法。
[0006] 本发明一种基于彩色光栅的快速三维立体重建方法所采用的技术方案为：本文系 统所搭建的三维立体视觉系统是以一个CCD摄像机、一台DLP投影仪、工作平台以及工业控 制计算机组成，投影仪向工作平台投射彩色光栅条纹，摄像机通过其所在的空间位置，对位 于工作平台的待测芯片进行拍照采图，计算机收集图像并进行滤波处理，基于彩色光栅投 影法的原理计算出芯片的三维形状信息。在该技术方案中，完成物体的立体重建只需采集 一幅彩色光栅投影图，很好地达到了工业产品缺陷检测的精度要求和实时性要求。
[0007] 本发明采用如下技术方案：
[0008] -种基于彩色光栅的快速三维立体重建方法，包括如下步骤：
[0009] Sl在三维立体视觉系统中，获取标定图像，所述三维立体视觉系统包括摄像机、投 影仪、工作平台及计算机；
[0010] S2设计彩色光栅投影条纹；
[0011] S3在三维立体视觉系统中，打开投影仪，拍摄在在无待测芯片的彩色光栅投影背 景图，把待测芯片放置在工作平台上，将彩色光栅投影到待测芯片上，采集包含待测芯片的 彩色光栅投影图；
[0012] S4采用改进的双边滤波算法对包含待测芯片的彩色光栅投影图进行滤波；
[0013] S5对滤波后的包含待测芯片的彩色光栅投影图进行灰度化；
[0014] S6采用占宽比例法计算条纹差值，进一步得到偏移距离，计算公式为d = η*β，d 为偏移距离，β为光栅条纹的宽度，η则为条纹偏移的差值，所述β在系统标定时通过光栅 设计直接获得；
[0015] S7根据彩色光栅投影三维数学模型进行高度恢复。
[0016] 所述设计彩色光栅投影条纹具体采用彩色投影光栅的蓝、绿、青、红、品红和黄六 种颜色，编号为1-6,周期为6。
[0017] 所述S4中改进的双边滤波算法采用局部加权平均的方法获取复原图像#的像素 值；
[0019] 式中，s"表示中心点（X，y)的（2Ν+1) X (2Ν+1)大小的邻域，对该邻域内的每一个 像素点f(x，y)，其加权系数w (i，j)由两部分因子的乘积组成：
[0020] w(i, j) = wg(i, j) · wr (i, j)
[0021] 其中，
为空间相似度函数，
为亮度 相似度函数，所述N为整数。
[0022] 所述S5具体为：根据S2制定的彩色光栅的编码规则，得到投影光栅的阶次为Z1， 利用公式I = Zl/T，T为投影光栅的编码周期，在本发明中为6,即可得到存在6个灰度级 的光栅投影灰度图像。
[0023] 所述S6中采用占宽比例法计算条纹差值，计算公式为d = η* β，具体为：
[0024] (1)逐点扫描包含待测芯片的彩色光栅投影图，检测各点处所在的条纹阶次；
[0025] (2)与彩色光栅投影背景图中的对应条纹值相减，得到条纹初步差值Ν0,此时NO 为整数；
[0026] (3)定义变量点A为包含待测芯片的彩色光栅投影图上某一像素点，a是点A在包 含待测芯片的彩色光栅投影图中的向上占宽比，点B是与点A同一位置在彩色光栅投影背 景图中的像素点，点A'是点A偏移前在彩色光栅投影背景图中的像素点，b是点A'在背景 图中的向上占宽比，则实际的条纹差值为η = ΝΟ+b-a ;
[0027] (4) β为光栅条纹的宽度，在系统标定时可直接获得，最后由计算公式为d = η* β 即可计算得到偏移距离d。
[0028] 在标定图像之前，对图像叠加模板为5X5,宽度为1的二维高斯滤波器。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] (1)本发明通过计算彩色光栅条纹的偏移量恢复出物体的高度，恢复精度高，过程 简单，可操作性强；
[0031] (2)本发明根据二进制对彩色光栅条纹进行编码，可靠性高，易于实现；
[0032] (3)利用彩色光栅进行投影通过条纹颜色记录更多的被测物体的信息，只需采集 一幅投影图像，有效地提高了算法的实时性；
[0033] (4)本发明在进行高度恢复的时候提出了占位比例法，计算简便，准确率高，针对 芯片一类线性形状的物体具有很好的恢复效果和稳定性。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明实施例的三维立体视觉系统的结构示意图；
[0035] 图2是本发明的光栅投影原理图；
[0036] 图3是本发明实施例的光栅投影模型图；
[0037] 图4是本发明实施例的占宽比例法原理示意图；
[0038] 图5是本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。
[0040] 实施例
[0041] 如图1所示，本发明的三维立体视觉系统包括摄像机1、投影仪2、工作平台3及计 算机，待检测芯片4放置在工作平台上，投影仪把彩色光栅投影至待检测芯片上，由摄像头 采集光栅投影图像。本发明还需要采集空的工作平台的光栅投影图像作为背景对比图，用 于计算待检测芯片前后的光栅条纹的偏移量。
[0042] 本实施例中摄影仪采用DLP摄影仪。
[0043] 如图5所示，本发明一种基于彩色光栅的快速三维立体重建方法，包括如下步骤：
[0044] Sl在三维立体视觉系统中，获取标定图像。
[0045] 在三维立体视觉系统中，将待检测芯片放置于工作平台上，调节好光源的亮度，通 过摄影机拍摄得到标定图像。在对图像进行标定之前，首先对图像叠加模板为5 X 5,宽度为 1的二维高斯滤波器，滤除杂质噪声。
[0046] 二维高斯滤波器的函数g(i，j)
[0048] 其中^为模板中心
σ为宽度，也即平滑程度。用由此函数生成的 尚斯序列做卷积运算，进彳丁尚斯滤波。
[0049] S2设计彩色光栅投影条纹，列出了列出区分度最高