用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法
【专利摘要】本发明公开了用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，首先向被测物投影二值编码条纹图及其相移图，获得投影模板，然后将该投影模板和待投影的多频正弦条纹相移图的对应像素相乘，得到区域投影图；接着，将区域投影图再次向被测物投影，采用相移算法计算相位图，并赋予空间不变的反射率，得到增强的条纹图；最后，利用多频条纹对相位图解包裹，并逐行修复被遮挡区域的相位，赋予反射率后得到修复条纹图，利用该条纹图解算出被测物的三维轮廓数据。本发明使用了区域投影图，在不增加硬件系统复杂度的前提下，消除了溢出对高动态范围方法的影响，有效解决结构光三维轮廓测量测量高动态范围物体时精度低的问题。
【专利说明】
用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法
技术领域
[0001]本发明属于光电测量领域，具体涉及用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法。
【背景技术】
[0002]光学三维轮廓测量技术一直是三维传感与计量领域研究的热点，广泛应用于工业检测、反求工程、人体三维建模、文物保护等方面。由于其具有非接触、非破坏、速度快、精度高等特点，使其成为最为理想的轮廓形貌测量手段。
[0003]结构光三维轮廓测量方法，根据投射到物体上的光场以及投影系统、采集系统与被测物基准的几何关系解调出被测物场的三维信息。为适用高动态范围物体的测量，必须解决溢出和反射率空间变化的影响。一般解决方法分为硬件和软件两类。硬件方法一般在结构光系统基础上，添加根据被测物表面反射率而调节光强的装置，可以减少因反射率空间变化带来的影响，并防止溢出，但该类方法系统复杂，且实现困难。软件改进在不增加硬件的基础上，通过调节曝光时间、投影亮度或者同时二者调节，再将不同条件下的图像融合为一幅图像，以消除反射率变化的影响，但该类方法没有考虑相机溢出的影响，造成测量更高动态范围物体的精度较低。
[0004]综上所述，需要选取一种合适的方法，在不增加硬件复杂度的情况下，可以消除溢出及反射率的影响，并得到高动态范围物体的三维轮廓。因此，十分必要研究一种能够协调或解决上述问题的三维轮廓测量方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其能够在不增加硬件系统复杂度的前提下，解决高动态范围物体测量精度低的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明包括以下步骤:
[0007]步骤一，向被测物投影二值编码条纹图及其相移图，获得投影模板；
[0008]步骤二，将该投影模板和待投影的多频正弦条纹相移图的对应像素相乘，得到区域投影图；
[0009]步骤三，将区域投影图再次向被测物投影，采用相移算法计算相位图，并赋予空间不变的反射率，得到增强的条纹图；
[0010]步骤四，利用多频条纹对相位图解包裹，并逐行修复被遮挡区域的相位，赋予反射率后得到修复条纹图，利用该条纹图解算出被测物的三维轮廓数据。
[0011 ]所述步骤一中，获得投影模板包括以下步骤:
[0012]第一步，向被测物投影二值编码条纹图及其相移图，计算最大频率条纹相移图的平均亮度图，并对其阈值化处理，确定溢出区；
[0013]第二步，计算编码图中每个像素亮度对相移步数的导数，根据导数中极大值位置对各编码图进行二值化，并计算溢出区的二进制码值，确定溢出区对应的投影区，获得投影模板。
[0014]所述第二步中，根据每个像素亮度对相移步数的导数，检测是否存在溢出引起的伪极大值，若存在伪极大值，将其消除后，再根据剩下的极大值位置对该像素进行二值化，这样可以消除溢出对二值化的影响;若不存在伪极大值，直接根据极大值位置二值化;根据二值化结果计算溢出区的二进制码值，确定对应的投影区，获得投影模板;模板中所求投影区的系数为O，其他区域为I。
[0015]所述步骤四中，修复相位过程先根据阈值处理或手动圈划确定遮挡区域，采用傅里叶级数逼近遮挡区域第i行向外延拓一定长度的相位，根据逼近系数修复遮挡区域第i行的相位，进而对i+Ι行相位修复，以此类推，直到所有遮挡区域的相位修复完成。
[0016]修复相位过程的具体步骤如下:
[0017]第一步，先根据阈值处理或手动圈划确定遮挡区域；
[0018]第二步，确定该区域的上下极限点Y1^PY1，并设定遮挡区每行向外延拓的长度L及傅里叶级数的阶数；
[0019]第三步，修复第y = Yu行相位:确定y = Yu,行的遮挡区域的左右边界XI和Xr，取出[X1-L，Xr+L]的相位，并用傅里叶级数逼近，根据得到的逼近系数修复遮挡区域第y = Yu行的相位；
[0020]第四步，修复第y= y-l行相位，重复上述修复过程，直到将遮挡区域所有相位修复完成。
[0021]所述步骤四中，通过对修复的条纹图进行中心提取，解算出被测物的三维轮廓数据。
[0022]与现有技术相比，本发明采用二值编码条纹图及其相移图，避免了因饱和及反射率影响而导致的二值化误差的问题，从而获得可靠的解码结果，进而准确获得所需投影模板;采用区域投影图，避免了溢出及饱和的影响，获得可靠的相位图后，赋予空间均一的反射率，得到高质量的条纹图，保证了后续的测量精度;又采用图像修复技术，对遮挡区的条纹进行了恢复，从而可以获得完整条纹图，保证了物体全面数据的获取，有效解决结构光三维轮廓测量测量高动态范围物体时精度低的问题。
【附图说明】
[0023 ]图1为本发明测量装置原理图；
[0024]图2为本发明的二值编码条纹图及其相移图；
[0025]图3为本发明投影模板获取流程图；
[0026]图4为本发明投影模板及区域投影图的示意图；其中(a)是投影模板，(b)是原始投影图，(C)是区域投影图；
[0027]图5为本发明遮挡区域修复流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0029]I)投影模板获取
[0030]测量装置原理图如图1，投影光源向被测物投影二值编码条纹图及其相移图(如图2)，拍摄后计算最大频率条纹相移图的平均亮度图，并对其阈值化处理，确定溢出区;然后，计算编码图中溢出周围区域的平均亮度，并求取该平均亮度对相移步数的导数，这时候会出现两种结果:
[0031]a.上述导数中不存在伪极大值，而是呈现随机性，这时无需对溢出处理；
[0032]b.存在两个明显的伪极大值时，因其对二值化形成干扰，应予以消除
[0033]根据上述两种结果，编码图的二值化应分别处理:
[0034]当出现a.中结果时，无需消除伪极大值，直接计算编码图中像素的亮度对相移步数的导数，确定其中的极大值位置，对该像素二值化；当出现b.中结果时，计算像素的亮度对相移步数的导数，消除伪极大值后，根据剩余的极大值位置，对该像素二值化。
[0035]之后，根据二值化的编码图，计算溢出区的二进制码值，确定对应的投影区，获得投影模板:上述区域的系数为0，其他区域为I，投影模板获取流程图如图3;
[0036]2)将该投影模板和待投影的多频正弦条纹相移图的对应像素相乘，得到区域投影图，投影模板及区域投影图的示意图，如图4;
[0037]3)接着，将区域投影图再次向被测物投影，拍摄时选取较大的曝光时间，以保证暗区的条纹成像质量，采用相移算法计算拍摄条纹的相位图，并赋予空间不变的反射率，得到增强的条纹图，可以消除反射率空间变化的影响；
[0038]4)随后，利用多频条纹对相位图解包裹，并对解包裹后的相位图逐行修复被遮挡区域的相位，赋予反射率后得到修复条纹图；
[0039]5)修复相位过程，如图5:
[0040]a.遮挡区域确定:先根据阈值处理或手动圈划确定遮挡区域；
[0041]b.参数设定:以逐行修复为例(逐列修复类似)，确定该区域的上下极限点Yu和Y1,并设定遮挡区每行向外延拓的长度L及傅里叶级数的阶数；
[0042 ] c.修复第y = Yu行相位:确定y = Yu，行的遮挡区域的左右边界和xr，取出[x1-L，xr+L]的相位，并用傅里叶级数逼近，根据得到的逼近系数修复遮挡区域第y = Yu行的相位；
[0043]d.修复第y = y_l行相位，重复上述修复过程，直到将遮挡区域所有相位修复完成；
[0044]e.对修复的相位赋予步骤3)中的反射率，得到修复的条纹图；
[0045]6)最后，对修复的条纹图进行中心提取，解算出被测物的三维轮廓数据。
【主权项】
1.用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，向被测物投影二值编码条纹图及其相移图，获得投影模板； 步骤二，将该投影模板和待投影的多频正弦条纹相移图的对应像素相乘，得到区域投影图； 步骤三，将区域投影图再次向被测物投影，采用相移算法计算相位图，并赋予空间不变的反射率，得到增强的条纹图； 步骤四，利用多频条纹对相位图解包裹，并逐行修复被遮挡区域的相位，赋予反射率后得到修复条纹图，利用该条纹图解算出被测物的三维轮廓数据。2.根据权利要求1所述的用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤一中，获得投影模板包括以下步骤: 第一步，向被测物投影二值编码条纹图及其相移图，计算最大频率条纹相移图的平均亮度图，并对其阈值化处理，确定溢出区； 第二步，计算编码图中每个像素亮度对相移步数的导数，根据导数中极大值位置对各编码图进行二值化，并计算溢出区的二进制码值，确定溢出区对应的投影区，获得投影模板。3.根据权利要求2所述的用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，所述第二步中，根据每个像素亮度对相移步数的导数，检测是否存在溢出引起的伪极大值，若存在伪极大值，将其消除后，再根据剩下的极大值位置对该像素进行二值化，这样可以消除溢出对二值化的影响;若不存在伪极大值，直接根据极大值位置二值化;根据二值化结果计算溢出区的二进制码值，确定对应的投影区，获得投影模板;所求投影区的系数为O，其他区域为I。4.根据权利要求1所述的用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤四中，修复相位过程先根据阈值处理或手动圈划确定遮挡区域，采用傅里叶级数逼近遮挡区域第i行向外延拓一定长度的相位，根据逼近系数修复遮挡区域第i行的相位，进而对i+Ι行相位修复，以此类推，直到所有遮挡区域的相位修复完成。5.根据权利要求1所述的用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，修复相位过程的具体步骤如下: 第一步，先根据阈值处理或手动圈划确定遮挡区域； 第二步，确定该区域的上下极限点Yu和Υι，并设定遮挡区每行向外延拓的长度L及傅里叶级数的阶数；第三步，修复第y=Yu行相位:确定y=Yu,行的遮挡区域的左右边界Xi和Xr，取出[x1-L,xr+L]的相位，并用傅里叶级数逼近，根据得到的逼近系数修复遮挡区域第y = Yu行的相位；第四步，修复第y = y_l行相位，重复上述修复过程，直到将遮挡区域所有相位修复完成。6.根据权利要求1所述的用于高动态范围物体的区域投影光学三维轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤四中，通过对修复的条纹图进行中心提取，解算出被测物的三维轮廓数据。
【文档编号】G01B11/25GK106091981SQ201610368146
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】王昭, 齐召帅, 黄军辉, 薛琦, 高建民
【申请人】西安交通大学