一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法

本发明涉及计算机视觉三维测量计算领域，主要涉及一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法。

背景技术：

1、重建效率和测量鲁棒性的不断提升，使得现有条纹投影技术已经可以实现复杂动态场景的高效高精度三维形貌测量。但由于投影的图案并非附着在物体表面，因此无法准确建立不同时刻重建三维形貌信息点对点映射关系，从而无法精确计算被测表面的位移与形变。

2、实验力学领域，数字图像相关是一种用于分析物体变形与力学特性的公认方法，数字图像相关利用物体表面的自然纹理或人工制作的标记点，通过计算分析区域变形前后的灰度相关程度来实现准确的点对点追踪。

3、可获取场景稠密三维形貌的条纹投影轮廓术和能实现准确形变追踪的数字图像相关技术被结合在一起，形成了三维形貌与形变同时测量的新方法，条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度；而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度。在条纹投影轮廓术和数字图像相关技术中，一个需要提取图案表面的标记点，一个不需要提取图案表面的标记点，因此两者对表面的纹理清晰度的需求存在矛盾。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度，两者对表面的纹理清晰度的需求存在矛盾的不足，提供一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，包括以下步骤：

4、s1：在被测物体表面制作彩色标记点；

5、s2：投影灰度结构光图案至所述被测物体表面；

6、s3：采集经过所述被测物体表面调制的结构光图案，获取所述被测物体表面的纹理图案；

7、s4：分别提取所述纹理图案中背景和所述彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于所述彩色标记点和所述背景的红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且通过所述结构光图案的红绿蓝三通道强度值与所述消隐系数相乘提取得到条纹图案，通过所述纹理图案的红绿蓝三通道强度值与所述提取系数相乘提取得到标记点图案；

8、s5：利用所述条纹图案重建三维形貌，利用所述标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。

9、采用上述技术方案，通过在物体表面制作标记点，利用所提的颜色消隐和提取模型同时提取准确的条纹和纹理信息，辅助点对点、鲁棒性的条纹投影测量方法实现复杂结构的全场三维形貌重建，解决了条纹投影和数字图像相关对物体表面标记点的清晰度的需求存在矛盾的问题，可辅助实现复杂物体的三维形貌形变测量；无需投影额外图案，通过调制度提取相移图中的纹理图案并进行灰度强化处理，保障了形变追踪的准确性。

10、作为本发明的优选方案，所述步骤s1包括：以所述彩色标记点的强度调制来表征反射率，以颜色空间下的所述被测物体表面与所述彩色标记点的欧式距离表示物体和所述彩色标记点的颜色差异，通过边界约束多参数优化求强度调制与颜色差异。

11、作为本发明的优选方案，基于下式计算所述强度调制与颜色差异：

12、

13、其中，itr，itg，itb分别表示所述彩色标记点的红、绿、蓝三通道强度值，ibr，ibg，ibb分别表示背景的红、绿、蓝三通道强度值，mi表示所述彩色标记点的强度调制，dc表示颜色空间下的物体与所述彩色标记点的欧式距离，通过边界约束多参数优化能够求出同时保证mi和dc尽可能大的最优散斑颜色。

14、作为本发明的优选方案，所述步骤s2中的所述灰度结构光图案，利用投影仪以灰度模式依次投影至所述被测物体表面，用于重建所述被测物体表面的三维形貌分布。

15、作为本发明的优选方案，所述步骤s3中的获取所述被测物体表面的纹理图案，利用下式调制度公式获得纹理图案：

16、

17、其中，(x,y)表示二维图像坐标，i1i2i3表示某时刻三步相移图案。

18、作为本发明的优选方案，所述步骤s4中，通过下式计算所述消隐系数：

19、

20、其中，σk表示转换后总噪声大小，im表示转换后图像灰度值，选择im/σk最大值下的k1，k2，k3作为最终的消隐系数，σr,σg,σb分别表示调制度提取得到的纹理图案中红、绿、蓝通道的噪声大小。

21、作为本发明的优选方案，所述步骤s4中，通过下式计算所述提取系数：

22、

23、其中，δi为提取系数转换后标记点与背景强度的差异值，σt表示转换后总噪声大小，选择δi/σt最大值下的t1，t2，t3作为最终的提取系数。

24、作为本发明的优选方案，所述步骤s4中提取所述条纹图案为：所有彩色结构光图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数k1，k2，k3获得所述条纹图像；

25、提取所述标记点图案为：所有彩色纹理图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上提取系数t1，t2，t3获得所述标记点图像。

26、作为本发明的优选方案，所述步骤s5中三维形变信息获取，将重建三维信息划分为uvw三个方向，uvw形变计算公式为：

27、

28、其中，x、y为二维图像坐标，x、y、z为参考图像与变形图像对应二维点的三维世界坐标。

29、另一方面，公开了一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在物体表面制作标记点，利用所提的颜色消隐和提取模型同时提取准确的条纹和纹理信息，辅助点对点、鲁棒性的条纹投影测量方法实现复杂结构的全场三维形貌重建，解决了条纹投影和数字图像相关对物体表面标记点的清晰度的需求存在矛盾的问题，可辅助实现复杂物体的三维形貌形变测量；无需投影额外图案，通过调制度提取相移图中的纹理图案并进行灰度强化处理，保障了形变追踪的准确性。

技术特征：

1.一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s1包括：以所述彩色标记点的强度调制来表征反射率，以颜色空间下的所述被测物体表面与所述彩色标记点的欧式距离表示物体和所述彩色标记点的颜色差异，通过边界约束多参数优化求强度调制与颜色差异。

3.根据权利要求2所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，基于下式计算所述强度调制与颜色差异：

4.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述灰度结构光图案，利用投影仪以灰度模式依次投影至所述被测物体表面，用于重建所述被测物体表面的三维形貌分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s3中的获取所述被测物体表面的纹理图案，利用下式调制度公式获得纹理图案：

6.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s4中，通过下式计算所述消隐系数：

7.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s4中，通过下式计算所述提取系数：

8.根据权利要求7所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s4中提取条纹图案为：所有彩色结构光图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数k1，k2，k3获得所述条纹图像；

9.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤s5中三维形变信息获取，将重建三维信息划分为uvw三个方向，uvw形变计算公式为：

10.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，属于计算机视觉三维测量计算领域，包括：在被测物体表面制作彩色标记点；投影灰度结构光图案至被测物体表面；采集经过被测物体表面调制的结构光图案，获取被测物体表面的纹理图案；分别提取纹理图案中背景和彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于背景与彩色标记点红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且分别提取得到条纹图案和标记点图案；利用条纹图案重建三维形貌，利用标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。实现了复杂结构的全场三维形貌重建；保障了形变追踪的准确性；实现了复杂物体的三维形貌形变测量。

技术研发人员：吴周杰,陈正东,张启灿,李训仁,王浩然,陈照升,陈菲菲,唐曦
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12