一种基于光圈时控的高清图像获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量技术领域，设及一种摄像机光圈实时调整方法W及基 于此的高清特征图像获取方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，在大型重大装备如飞机平垂尾承力构件、船体、大型天线等 制造领域中，其制造精度要求越来越高，从而对相应的高精度测量手段的要求也越来越迫 切。基于辅助激光扫描的双目视觉测量方法是最近比较热点的一种高精度大型型面测量方 法，该方法利用双目摄像机进行扫描激光图像的采集并对采集到的光条进行中屯、提取和匹 配重建从而达到对自由表面形状尺寸的高精度还原。然而由于被测量物体往往尺度很大， 扫描光条在不同位置其灰度分布特性很不一致，而且测量现场往往光照环境复杂，被测物 存在高反光现象，淹没部分光条特征信息，从而严重影响光条的提取效率和提取精度。因 此，如何能够高效高精度地获取复杂光照环境下的大型型面图像特征信息对上述视觉测量 方法具有重要意义。
[0003]I^ichard在发表的期刊文献《Adaptiveoptical3D-measurementwith structuredIi曲t》，SPIE，1999,3824:169-178中为解决强反光问题，利用被测物表面在不 同角度下反光区域不同的特性，避开镜面反射区域，利用漫反射进行多角度局部测量，最后 整体拼接完成被测表面的整体测量；此方法测量过程繁琐，且在整体拼接时会引入误差，从 而降低测量精度。姜宏志，赵慧洁等人发表的期刊文献《用于强反射表面形貌测量的投影 栅相位法》，光学精密工程，2010, 18巧）：2002-2008中提出在条纹投射与图像采集步骤中加 入亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术，解决条纹图像饱和或过暗导致 的测量失效问题实现强反射表面的=维形貌测量；此方法采用投影光条进行=维形貌的测 量，其成像质量难W得到保证，采用多曝光时间采集图像并进行图像合成也是复杂光照条 件下进行图像采集的有效解决方案之一。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是针对大型装备构件表面=维形貌测量过程中在复杂 光照环境下获得特征图像质量较差、特征不清晰、精度低的难题，发明了一种基于光圈时控 的高清图像获取方法。即在光条图像采集过程中，通过实时调整摄像机光圈的大小来控制 采集的扫描光条图像灰度分布基本一致且达到精确提取光条信息的要求，从而获得高清图 像特征信息，为实现大型表面=维形貌的精确测量奠定基础。该方法能高效、高精度地获取 图像特征信息，得到的图像质量好、特征清晰、精度高。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种基于光圈时控的高清图像获取方法，其特征是，该 方法针对大型复合材料构件表面在基于视觉的线激光扫描测量过程中的强光反射问题，建 立满足光条信息可有效提取要求的光条图像质量判定准则；保留高质量光条图像，通过两 个极限图像：极亮和极暗的图像确定光圈时控阔值，结合空间几何特性，确定光圈控制准 贝IJ;对低质量图像通过光圈实时控制的方式调节光圈大小、控制进光量进行图像采集，从而 在整体的图像采集过程中获取亮度基本一致且高质量的光条图像；最后提取光条特征并进 行图像融合，得到高清且完整的光条图像。方法具体步骤如下：
[0006] 第一步建立光条图像质量判定准则，确定光圈时控合理阔值
[0007] 1)建立光条图像质量判定准则
[0008]W图像处理能够精确提取光条特征信息为条件，定义其对应的光条图像为高质量 图像；W光条横截面平均灰度来表征光条图像的质量，建立图像质量判定模型： 阳009] " '， ，- y J (1) / </。"厂/ >//,，poor quality
[0010] 其中，！表示图像的光条横截面平均灰度分布，而（I。，Ib)为高质量光条图像的光 条横截面平均灰度分布区间；当1。<I<Ib,认为光条图像质量较好，提取出精确的光条特 征信息；当I《I。orI>Ib,认为光条图像质量较差，则采取控制光圈大小的方式控制进 光量，使得光条图像满足高质量要求，进而提取精确的光条特征信息；
[0011] 2)确定光圈时控合理阔值
[0012] 采用基于线激光辅助扫描进行视觉测量时，采集到的光条图像在摄像机采集方向 位于激光反射方向时灰度达到最大。调节此时的摄像机光圈大小至使得光条图像灰度 Ii满足公式（1)确定的高质量图像要求。同理，利用激光器粗扫描被测件，获得光条图像灰 度最小位置，调节此时的摄像机光圈大小至F2,使得光条图像灰度12满足高质量图像要求。 由此获得摄像机光圈在整个激光扫描过程中的调控范围在田2,Fi];
[0013] 第二步摄像机光圈实时控制方法
[0014] 1)建立光条灰度衰减模型
[0015]在摄像机采集方向位于线激光投射的反射方向上时，光条横截面的平均灰度值达 到最大，偏移该位置后摄像机采集的光条图像灰度发生衰减；利用此光条灰度衰减特性，建 立光条灰度衰减模型：
[0016]
趙； 阳017]其中，k为光条灰度的衰减率，Ii为摄像机采集方向位于线激光入射方向的反射方 向上的光条灰度值，Ii为第i张扫描图像的光条灰度值，d为激光器被测物表面的距离，a 为光条灰度值最大位置处的光条入射角，《为激光器扫描转速，f为摄像机采集帖频；
[0018] 2)确定光圈时控步长
[0019]当光条灰度低于高质量光条图像灰度下限I。时，需要调节摄像机光圈使得进光量 增大，从而获得高质量光条图像；结合上述光条灰度衰减率，建立光圈时控步长AL:
[0020]
(3)
[0021] 其中，Ii为摄像机采集方向位于线激光入射方向的反射方向上的光条灰度值，I。 为高质量光条图像的灰度值下限，k为光条灰度的衰减率；利用该公式计算得到当光条灰 度值低于高质量光条图像的灰度值下限时，结合扫描运动的几何关系，扫描光条的移动步 长A L〇:
[0022] AL。= d (tan a-tan ( a - O j/f)) (4)
[0023] 其中，d为激光器被测物表面的距离，a为光条灰度值最大位置处的光条入射角， ?为激光器扫描转速，f为摄像机采集帖频；当光圈时控步长AL达到临界值AL。即进行 光圈调节；于是采用（4)式反解可W得到扫描每移动j次光条时调整增大一级光圈大小，然 后继续进行扫描拍摄；
[0024] 第=步光条图像特征提取与合成
[00巧]通过上述实时调整光圈大小的方式采集得到的图像其光条灰度基本一致，则采用 统一的灰度阔值来进行光条特征的提取，从而快速获得高精度高清晰的光条特征图像；
[0026] 1)光条特征提取
[0027] 对采集到的光条图像进行边缘特征提取，图像函数的一阶导数反映了图像的灰度 变化显著程度，通过计算图像函数的一阶导数局部极大值来确定光条的边缘特征，图像函 数f(x，y)的一阶导数为 圓1-苛/-
[0028]G(A-，y)=置=6又文 (5) .1'」L/4-
[0029] 其中，G(x，y)为图像二维函数f(x，y)的梯度，的和Gy分别是对X和y的偏导数。 采用Sobel算子进行边缘检测，利用像素点（x，y)附近的3X3的邻域来计算梯度值，其两 个卷积模板为 --1 0Ii「-1 -2-r
[0030]巧:=-2 呀 2，G',= 0 贷 0 (6) 1 0' 1」 [1 2 1
[0031]采用-范数衡量梯度的幅值|G(x，y)I=max(也UGyI)，即将两个模板算子的最 大值作为该点的输出位；然后计算每一点的梯度值，将梯度最大处定义为边缘位置；
[0032] 2)高清特征图像融合
[0033] 对处理得到的一系列光条特征图像fi(x，y) (i=l，2，...，n)采用灰度加权平均 的方法进行图像融合，则图像融合的过程表示为 巧 阳034]巧A'，.V)二 5]i,） 巧) i'=l
[00对其中，F(x，y)为融合后得到的高清特征图像，Al为对应第i光条图像的加权系 対. 数，而且有E又,=I。 i=：i
[0036] 本发明的有益效果是本发明一种基于光圈时控的高清图像获取方法采用实时控 制摄像机光圈大小的方法来调整图像采集过程中光条的灰度分布，使得在整体的图像采集 过程中获取亮度基本一致且高质量的光条图像。该方法能够实现高清晰特征图像的获取， 确保图像处理过程中能够快速获得高精度的图像特征信息。该方法简捷、迅速，操作容易， 图像精度高。
【附图说明】
[0037] 图1为扫描光条采集示意图。图中，1-被测物体表面，2-激光器，3-摄像机，A-图 像中光条横截面灰度最大时的光条位置，B-第i张图像的光条位置，d-激光器到测量对象 的垂直距离，a-激光光条入射角度，f-摄像机的采集帖频。
[0038] 图2为高清图像获取流程图。
【具体实施方式】
[0039] W下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。附图1为扫描光条采 集示意图。被测物体表面为3. 4X0. 6m的巧00复合材料板，光条W-定角度打到复合材料 板上，激光器做扫描运动，通过工业摄像机进行图像采集。
[0040] 实施例1，本发明采用配置广角镜头的工业摄像机拍摄一系列光条扫描图像。摄 像机型