专利名称：一种提取物体三维表面轮廓的方法
技术领域：
本发明涉及一种提取物体表面三维数据的方法，特别是关于一种在简易成像系统上提取物体三维表面轮廓的方法。
背景技术：
在质量控制、机器视觉、医学成像等技术领域，许多具体应用都是基于提取物体的三维表面轮廓进行的。现有技术中提取物体三维表面轮廓的光学方法有基于激光的方法、云纹法、干涉法、摄影测量法和结构光法等，通过上述方法虽然可以获得高精度的表面轮廓，但是上述这些方法都需要使用投影仪或其他特定设备来提取三维表面轮廓，这样不仅增加了整个系统的复杂性，而且也提高了成本。
现有技术中还可以利用剪影或可见光图像，准确、全角度地提取物体三维表面轮廓，利用这两种方法无需使用投影仪等额外设备，极大地简化了成像系统，降低了成本。利用剪影获取物体表面轮廓的方法采用了视觉外形技术作为核心算法，但是视觉外形技术较为复杂，实现起来较为困难；利用可见光图像获取物体表面轮廓的方法主要是采用若当变换(Radon Transform)为核心算法,此类算法易于实现,但是会产生以下问题1、此类算法要求所有的像素点全部参与反投影运算，因此提取物体三维表面轮廓的速度非常慢；2、此类算法所采用的平行束反投影的方法与实际透镜成像情况不符。而且，在提取可见光图像中物体的边界时，现有技术采用二值化算法，此算法难以准确地找到物体边界，导致后续的轮廓提取产生误差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在简易成像系统上快速、准确且全角度地提取物体三维表面轮廓的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种提取物体三维表面轮廓的方法，其包括以下步骤1)设置一包括有一 (XD、一镜头、若干光源、一放置待成像物体的转台和一计算机的成像系统，所述转台中设置有控制器；2)将从成像系统中得到的物体图像，利用水平集算法提取待处理图像中选定区域的物体边界；3)根据待处理图像的大小得到物体的各个断层图像，并在各个断层图像上提取该层的表面轮廓，其包括以下步骤①在成像系统中定义旋转坐标系和拍摄坐标系；②选取待处理图像的某一层，计算该层图像上提取的物体边界距离图像中心线的距离；③进行坐标变换，即计算物体在各个成像角度时镜头光心在旋转坐标系中的坐标，以及所有待处理图像中物体边界在旋转坐标系中的坐标；④利用非平行束反投影的方法得到物体边界反投影图像；⑤通过步骤④在得到该层的边界反投影图像基础上提取物体此层的边界点坐标；⑥利用滤波器对步骤⑤所得到的表面轮廓进行平滑处理；⑦对待处理图像的每一层重复步骤① ⑥，得到物体各个断层的表面轮廓；4)将通过步骤3)所得的物体各个断层的表面轮廓合并起来，得到物体三维表面轮廓，具体是指按层的顺序将边界点按照搜索角度有序排列连接起来。
所述步骤2)包括以下步骤①依次从成像系统中读取物体图像并将其存储成图像序列，根据所需要提取物体表面轮廓的精度要求，将图像序列中的每一幅图像缩小到原始图像的s倍后得到待处理图像，其中O < s < I ;②从待处理图像中任意选取一幅图像，通过手动选择需要提取物体三维轮廓的区域；③对每一幅待处理图像在选定区域利用水平集算法提取物体选定区域的边界。所述步骤3)中③进行坐标变换包括以下步骤①计算镜头光心和待处理图像中物体边界在拍摄坐标系中的坐标；②通过坐标变换公式将拍摄坐标系中物体边界的坐标换算到旋转坐标系中。所述步骤3)中④利用非平行束反投影的方法得到物体边界反投影图像的具体过 程为利用物体边界坐标和镜头光心坐标确定一条反投影线，将所有待处理图像的所有边界的反投影线全部确定后，得到物体在某一层的边界反投影图像，所述反投影线与光线实际传播路径方向相反。所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用先提取最大连通区域，再逐角度搜索的方法。所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用直接逐角度搜索方法。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用了基于物体边界反投影的方法，仅仅反投影位于物体边界上的像素点，极大地减少了参与反投影运算的数据量，因此成倍地加快了轮廓提取的速度。2、本发明由于利用水平集方法取代二值化方法实现对物体边界的提取，在参数选择合适的情况下，能够自动识别物体边界，即使是在光照不均匀的情况也能够较好对物体的边界进行准确提取，有效地减小了对物体表面轮廓提取的误差。3、本发明由于采用非平行束反投影的方法，更加符合透镜成像的物理规律。4、本发明对从成像系统中得到图像进行缩小处理，如果对将要提取的物体表面轮廓的精度要求不高，就可以通过将图像缩小减少运算时间，进一步加快提取表面轮廓的速度。本发明可以广泛应用于快速获取物体三维表面轮廓中。
图I是本发明成像系统结构示意图；图2是本发明提取物体三维表面轮廓方法流程示意图；图3是本发明坐标系统不意图；图4是本发明利用非平行束反投影获取断层图像示意图；图5是本发明边界反投影图像状态效果示意图；图6是本发明表面轮廓提取示意图；图7是本发明提取物体表面三维结果灰度效果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图I所示，本发明的三维表面简易成像系统包括一封装在盒子中的(XD(电荷耦合器件)1，装有CCDl的盒子前端旋设有一镜头2，镜头2的两侧设置有拍摄物体时供照明的两光源3、4，两光源3、4可以根据实际需要选用白光或单色光，镜头2正前方设置有一放置待成像物体的转台5，转台5中设置有一控制器(图中未示出)，计算机6发送信号通过控制器控制待成像物体实现绕转轴360度范围内旋转和上、下平移，在拍摄时根据实际需要选取待成像物体的旋转角度间隔，即确定CCDl拍摄待成像物体的位置，CCDl将拍摄得到的物体图像发送到计算机6进行物体表面三维轮廓信息的提取。上述实施例中，光源的数量可以根据实际的实验情况选择使用若干个，只要能满足在拍摄时物体所需要的光照条件即可。如图I 2所示，本发明实施例采集待成像物体的图像时，采用两白光光源3、4照射到转台5上的待成像物体,待成像物体随转台5选择每隔5°沿同一方向旋转(沿逆时针或沿顺时针)即CCDl在待成像物体每转动5°时摄取物体的图像，CCDl将拍摄得到的72幅物体图像依次发送到计算机6，计算机6对获取的物体图像进行表面三维轮廓信息提取的方法包括以下步骤 I、对得到的物体图像利用水平集算法提取待处理图像中选定区域的物体边界。I)计算机6依次读取72幅物体图像并将其存储成图像序列，根据所需要提取的表面轮廓的精度要求，将图像序列中的每一幅图像缩小到原始图像的s倍后得到待处理图像I，其中O < s彡I。例如读取的原始图像大小512X512，即表示此幅图像由512行、512列像素点组成，将此幅图像缩小到原始图像的O. 5倍，则缩小后图像的大小为256X256。上述图像缩小可以采用现有技术中基于小波变换、基于离散余弦变换或基于降采样(隔点抽样)等图像缩小方法，本实施中采用基于降采样的图像缩小方法，具体为对一维的512个像素点而言，采用降采样的方法缩小O. 5倍是指抽取编号为1、3、5、7、……、511的共256个像素点，舍弃编号为偶数的像素点；对二维的512X512个像素点组成的图像而言，采用此方法缩小O. 5倍是指抽取行列编号都为奇数的像素点，如(1，I )，( 1，3)等共256X256个像素点，即得到大小为256X256的图像。2)从上述步骤I)中得到的待处理图像I中任意选取一幅图像，通过手动选择需要提取物体三维轮廓的区域R。从待处理图像I中选取任意一幅图像在计算机6上显示出来，利用鼠标在该图像上选择需要提取三维轮廓的区域R，此时记录所选择区域的坐标，由于所有待处理图像的大小都是相同的，例如256X256，所以根据所选择区域的坐标，可以得到在其它各幅图像上该区域的位置。3)对每一幅待处理图像I在选定区域R内利用水平集算法提取物体选定区域的边界，其中水平集算法采用的公式如下
权利要求
1.一种提取物体三维表面轮廓的方法，其包括以下步骤 1)设置一包括有一(XD、一镜头、若干光源、一放置待成像物体的转台和一计算机的成像系统，所述转台中设置有控制器； 2)将从成像系统中得到的物体图像，利用水平集算法提取待处理图像中选定区域的物体边界； 3)根据待处理图像的大小得到物体的各个断层图像，并在各个断层图像上提取该层的表面轮廓，其包括以下步骤 ①在成像系统中定乂旋转坐标系和拍摄坐标系； ②选取待处理图像的某一层，计算该层图像上提取的物体边界距离图像中心线的距离； ③进行坐标变换，即计算物体在各个成像角度时镜头光心在旋转坐标系中的坐标，以及所有待处理图像中物体边界在旋转坐标系中的坐标； ④利用非平行束反投影的方法得到物体边界反投影图像； ⑤通过步骤④在得到该层的边界反投影图像基础上提取物体此层的边界点坐标； ⑥利用滤波器对步骤⑤所得到的表面轮廓进行平滑处理； ⑦对待处理图像的每一层重复步骤① ⑥，得到物体各个断层的表面轮廓； 4)将通过步骤3)所得的物体各个断层的表面轮廓合并起来，得到物体三维表面轮廓，具体是指按层的顺序将边界点按照搜索角度有序排列连接起来。
2.如权利要求I所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤2)包括以下步骤 ①依次从成像系统中读取物体图像并将其存储成图像序列，根据所需要提取物体表面轮廓的精度要求，将图像序列中的每一幅图像缩小到原始图像的s倍后得到待处理图像，其中O < s彡I ; ②从待处理图像中任意选取一幅图像，通过手动选择需要提取物体三维轮廓的区域； ③对每一幅待处理图像在选定区域利用水平集算法提取物体选定区域的边界。
3.如权利要求I所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中③进行坐标变换包括以下步骤 ①计算镜头光心和待处理图像中物体边界在拍摄坐标系中的坐标； ②通过坐标变换公式将拍摄坐标系中物体边界的坐标换算到旋转坐标系中。
4.如权利要求2所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中③进行坐标变换包括以下步骤 ①计算镜头光心和待处理图像中物体边界在拍摄坐标系中的坐标； ②通过坐标变换公式将拍摄坐标系中物体边界的坐标换算到旋转坐标系中。
5.如权利要求I或2或3或4所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中④利用非平行束反投影的方法得到物体边界反投影图像的具体过程为利用物体边界坐标和镜头光心坐标确定一条反投影线，将所有待处理图像的所有边界的反投影线全部确定后，得到物体在某一层的边界反投影图像，所述反投影线与光线实际传播路径方向相反。
6.如权利要求I或2或3或4所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用先提取最大连通区域，再逐角度搜索的方法。
7.如权利要求5所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用先提取最大连通区域，再逐角度搜索的方法。
8.如权利要求I或2或3或4所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用直接逐角度搜索方法。
9.如权利要求5所述的一种提取物体三维表面轮廓的方法，其特征在于所述步骤3)中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点采用直接逐角度搜索方法。
全文摘要
本发明涉及一种提取物体三维表面轮廓的方法，包括以下步骤1)设置包括有一CCD、一镜头、若干光源、一放置待成像物体的转台和一计算机的成像系统，转台中设置有控制器；2)将从成像系统中得到的物体图像，利用水平集算法提取待处理图像中选定区域的物体边界；3)根据待处理图像的大小得到物体的各个断层图像，并在各个断层图像上提取该层的表面轮廓；4)将通过步骤3)所得的物体各个断层的表面轮廓合并起来，得到物体三维表面轮廓，具体是指按层的顺序将边界点按照搜索角度有序排列连接起来。本发明可以广泛应用于快速获取物体三维表面轮廓中。
文档编号G01B11/24GK102869950SQ201180010668
公开日2013年1月9日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者白净, 张舒, 陈颀潇 申请人:清华大学