CN101241594A - 结构光图像的增强方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光成像的增强方法和装置，该方法通过叠加的方法来实现结构光图像的增强，步骤为使用增强结构光成像装置获取包含结构光的背景图像；使用增强结构光成像装置获取不含结构光的背景图像；将包含结构光的背景图像减去不含结构光的背景图像，获得结构光图像；依次重复以上步骤获得结构光图像；使用计算机对结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像。该装置包括结构光发生器、CCD照相机、计算机、结构光控制器。该增强方法和装置简单方便、安全可靠，特别是能够在开放式作业环境中减少背景干扰，增强结构光图像效果，另外还能调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化，从而使结构光图像更加合理的增强。

Description

结构光图像的增强方法和装置

技术领域

本发明涉及结构光成像技术，更具体地说，涉及一种结构光成像的增强方法和装置，该方法和装置能够减少环境干扰，增强结构光图像。

背景技术

结构光一般由激光束组成，激光束是人造的纯粹光，相干性好，具有单一波长、能量集中的特点。结构光成像技术是图像处理，特别是图像测量技术的一种重要手段与方法，在工业测量中被逐渐使用。目前常用的结构光为点阵类结构光，通过对已知的被测对象进行单点、多点、直线、曲线照射投影进行成像。结构光与被测对象融合后成图像，由于对象、照射方法及对象位置的不同，得到的图像会有一些明显的变化，利用这种特性，可以计算出与被测对象有关的位置、尺寸等参数。由于在钢铁件测量目标平面上由于没有参考的纹理特征与基准，周围又有干扰，使用结构光成像来进行图像辨识与测量工作比较合适。但由于激光能量高度集中，对人体眼睛与皮肤可能会造成伤害，有各种严格规定，(如IEC与FDA对激光产品进行了安全分类，IEC是Class1到4，FDA是Class I到IV)在有人操作的工业环境，必须尽可能使用激光能量低的微弱结构光，但是在环境光变化剧烈的工业现场，有大量的背景光干扰，如工业强照明光、半敞开厂房太阳光、移动的物体阴影，这些干扰会降低图像中结构光与周围背景的反差，使得结构光与周围背景的对比度较小，造成很难分辨，使得无法有效的进行图像辨识与测量工作。

目前主要采用的方法是封闭测量工作的光环境空间，杜绝外部背景光干扰，或者提高激光的发射功率，使激光图像的亮度足够高。但是由于光环境空间比较大，采用封闭式空间，需要占据非常大的生产场地，安装十分困难，并影响生产安全；大幅度提高激光功率又容易产生安全问题，影响人体健康。另外被测对象为大尺寸时，照射距离也会影响成像效果。结构光如果照射在距离比较近的被测对象上时，那么在图像上就比较亮，如果照射在距离比较远的被测对象上时，得到的图像就比较暗，而且结构光长线本身的亮度也不均匀，中间亮，两边暗，有时会加重图像中结构光亮度的变化，产生严重差异降低图象处理效果。

因此，需要一种新的结构光成像的增强方法和装置来克服现有技术在复杂的测量环境中存在的封闭场地难度大、安装困难并存在安全问题以及结构光成像中自身的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种增强结构光的方法和装置，该方法和装置简单、安全，能够减少环境干扰，增强结构光图像。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该结构光成像的增强方法的具体步骤如下：

A.使用增强结构光成像装置获取包含结构光的背景图像；

B.使用增强结构光成像装置获取不含结构光的背景图像；

C.将步骤A中所述的包含结构光的背景图像减去B中所述的不含结构光的背景图像，获得结构光图像；

D.依次重复步骤A、B、C，获得结构光图像；

E.使用计算机对步骤C中所述的结构光图像与步骤D中所述的结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像。

所述的步骤A的具体步骤如下：

A1.保持被测对象固定；

A2.通过计算机控制使结构光控制器产生指定规格的电源，使结构光发生器产生结构光，结构光照射在被测对象上形成结构光影像；

A3.使用CCD照相机对被测对象拍照，并通过计算机的图像采集卡获取包含结构光的背景图像。

所述的步骤A2中，使用结构光控制器控制结构光发生器，从而调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化：

当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；

当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。

所述的步骤B的具体步骤如下：

B1.通过计算机控制使结构光控制器关闭电源，使结构光发生器关闭，被测对象上的结构光影像消失；

B2.使用CCD照相机对被测对象拍照，并通过计算机的图像采集卡获取不含结构光的背景图像。

所述的步骤D的重复次数至少为一次。

所述的步骤E中的叠加次数根据规定次数或结构光图像达到要求而设定：

达到规定叠加次数或结构光图像达到要求，完成结构光图像的增强；

未达到规定叠加次数或结构光图像未达到要求，继续与步骤D中所述的重复获得结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像，完成结构光图像的增强。

该装置包括结构光发生器、CCD照相机、计算机、结构光控制器，

所述的结构光发生器为结构光光源，连接到结构光控制器，并通过结构光控制器的控制，产生结构光；

所述的CCD照相机连接到计算机，对被测对象进行拍照；

所述的结构光控制器产生或关闭电源，使结构光发生器产生和关闭结构光；

所述的计算机连接到结构光控制器，对结构光控制器发出指令，并图像进行编辑相减和叠加；计算机还设有图像采集卡对CCD照相机的拍摄进行采集，获取图像，对图像进行编辑相减和叠加。

所述的结构光控制器包括：

电源输入及标准化电路，对外部输入的电源进行方向保护及过压过流限制，同时对输入工作电压进行标准化转化，变成标准的固定电压；

隔离电源转换电路，将标准化的电源进行隔离转换，提供给控制器电路，同时将来自控制器和计算机的各种干扰与结构光发生器隔离开，提高系统的可靠性；

控制元件及通讯接口电路，通过外部控制模式设定信号，确定控制元件的工作模式：通讯方式下，通过串行通讯给出电源的开关命令；I/O模式下，由外部的I/O信号选择结构光，控制结构光电源的开关；控制元件通过通讯接口电路接受外部的设定参数；通讯接口电路将控制元件内部的数字电平转换为通讯接口的标准电平；

光电隔离及结构光电源控制电路，接收控制元件发出的控制信号，通过电耦的隔离，转换成结构光发生器的控制信号，通过MOS管控制结构光发生器的输出和关闭。

所述的结构光控制器还具有PWM占空比可调功能，控制结构光发生器，调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化：当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。

所述的结构光控制器的占空比的周期小于CCD相机的扫描周期。

在上述技术方案中，该方法通过叠加的方法来实现结构光图像的增强，步骤为使用增强结构光成像装置获取包含结构光的背景图像；使用增强结构光成像装置获取不含结构光的背景图像；将包含结构光的背景图像减去不含结构光的背景图像，获得结构光图像；依次重复以上步骤获得结构光图像；使用计算机对结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像。该装置包括结构光发生器、CCD照相机、计算机、结构光控制器，结构光控制器产生或关闭电源，使结构光发生器产生和关闭结构光。该增强方法和装置简单方便、安全可靠，特别是能够在开放式作业环境中减少背景干扰，增强结构光图像效果，另外还能调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化，从而使结构光图像更加合理的增强。

附图说明

图1是本发明的增强方法的流程示意图；

图2是本发明的增强方法的原理示意图；

图3是本发明的增强装置的原理示意图；

图4是本发明的增强装置的结构光控制器的原理示意图；

图5是本发明的增强装置的结构光控制器的电路原理示意图；

图6是本发明的结构光控制器调节结构光亮度的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

请参阅图1所示，本发明的结构光成像的增强方法的具体步骤为：使用增强结构光成像装置获取包含结构光的背景图像ImageX；然后使用增强结构光成像装置获取不含结构光的背景图像ImageY；再将包含结构光的背景图像Image×减去不含结构光的背景图像ImageY，获得结构光图像ImageZ；然后依次重复以上步骤n次，n大于等于1，获得n个结构光图像ImageZn；最后使用计算机将结构光图像ImageZ与n个结构光图像ImageZn结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像ImageS。叠加次数根据作业规定次数或结构光图像达到要求而设定。下面以叠加两次为例，先将被测对象保持固定，然后通过增强装置的计算机控制使结构光控制器产生指定规格的电源，使结构光发生器产生结构光，结构光照射在被测对象上形成结构光影像，使用CCD照相机对被测对象拍照，通过计算机的图像采集卡获取包含结构光的背景图像Image×1，请参阅图2所示，  然后通过计算机控制使结构光控制器关闭电源，使结构光发生器关闭，被测对象上的结构光影像消失；再次使用CCD照相机对被测对象拍照，并通过计算机的图像采集卡获取不含结构光的背景图像ImageY1。通过计算机将包含结构光的背景图像ImageX1减去不含结构光的背景图像ImageY1，获得结构光图像ImageZ1。重复以上步骤一次，分别获得包含结构光的背景图像ImageX2，不含结构光的背景图像ImageY2以及结构光图像ImageZ2，然后使用计算机对结构光图像ImageZ1与ImageZ2进行叠加，由于叠加的方法可以大幅度提高结构光的强度，而很少增加噪点的强度，使结构光图像效果增强十分明显。另外使用结构光控制器来控制结构光发生器，从而调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化，当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。从而保证了结构光的均衡，使结构光图像更加合理的增强。

实施例2

请参阅图3所示，该结构光图像的增强装置包括结构光发生器、CCD照相机、计算机、结构光控制器，结构光发生器为结构光光源，连接到结构光控制器，并通过结构光控制器的控制，产生结构光；CCD照相机连接到计算机，对被测对象进行拍照；结构光控制器产生或关闭电源，使结构光发生器产生和关闭结构光；计算机连接到结构光控制器，对结构光控制器发出指令，并图像进行编辑相减和叠加；计算机还设有图像采集卡对CCD照相机的拍摄进行采集，获取图像，对图像进行编辑相减和叠加。请参阅图4所示，结构光控制器包括：电源输入及标准化电路，对外部输入的电源进行方向保护及过压过流限制，同时对输入工作电压进行标准化转化，变成标准的固定电压；隔离电源转换电路，将标准化的电源进行隔离转换，提供给控制器电路，同时将来自控制器和计算机的各种干扰与结构光发生器隔离开，提高系统的可靠性；控制元件及通讯接口电路，通过外部控制模式设定信号，确定控制元件的工作模式：通讯方式下，通过串行通讯给出电源的开关命令；I/O模式下，由外部的I/O信号选择结构光1-4，控制结构光电源的开关；无论何种工作模式控制元件通过通讯接口电路接受外部的设定参数；通讯接口电路将控制元件内部的数字电平转换为通讯接口RS232标准电平；光电隔离及结构光电源控制电路，接收控制元件发出的控制信号，通过电耦的隔离，转换成结构光发生器的控制信号，通过MOS管控制结构光发生器的输出和关闭。请参阅图5所示，电源输入及标准化电路中，自复位保险丝F1、瞬变抑制二极管D6和电容C15构成输入工作电源保护电路，自复位保险丝F2，瞬变抑制二极管D1和电容C10构成结构光电源保护电路，防止过流、过压及反方向。标准化电路包括电阻R5、R15、R16、R17、电感L1、二极管D7、电容C2、C4、C6和电源转换控制芯片U2，该电路可以将输入电压上升到一个固定的标准电压。如：通过电阻R5、R17将标准电压定为24V，那么从外部输入的低于24V的电源都可以升到24V。虽然升压电路不能降压，但是由于结构光的电压通常低于24V，那么可以将结构光的电源用做控制器的工作电源，这样可以减少系统的复杂性。当然，如果结构光电源比较特殊，或者负载能力弱，可以将工作电源与结构光电源分开。电源隔离转换电路包括隔离电源模块U1和电容C1，可以将升压后的标准电压转换成系统内部的工作电压，同时隔离来自外部的干扰。控制元件及接口电路中的C7和R20构成复位电路，C8、C9、X1构成时钟电路，电阻R21、R22构成外部输入信号上拉电路。来自外部计算机的通讯信号，经过通讯接口电路，送入到控制器之中，这些信号包括：每个结构光通道的占空比参数，脉冲周期参数，以及其他每个通道的开与关设定。由于通讯方式下，需要一定的数据转换时间，所以还具有I/O工作模式，控制元件根据外部输入信号ConIn0～3控制结构光电源，减少了通讯转换时间。工作模式由控制模式设定信号Com_Set进行选择，当Com_Set信号为低时，控制器为I/O开关模式，当没有外部输入信号时，或Com_Set输入为高时，装置进入通讯控制模式，此时可以减少控制接线。光电隔离及结构光电源控制电路将来自控制器的控制信号经过电阻R24、R25、R26、R27的限流，驱动光耦O1、O2、O3、O4，传送到结构光电源一侧，比较器U4A、U4B、U4C、U4D检测到光耦传送过来的信号，然后经过上拉电阻R1、R2、R3、R4的作用驱动大功率MOS管P1、P2、P3、P4控制结构光发生器的输出和关闭，MOS管可以选择内阻比较小的型号以提高驱动性能。二极管D2、D3、D4、D5保护控制器免受外部冲击电压的影响，保护系统安全。MOS管的输出电压通过接口J1与外部的结构光源连接。请参阅图6所示，结构光控制器还具有PWM占空比可调功能，控制结构光发生器，从而调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化：当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。结构光控制器产生的电源的占空比的周期远小于CCD相机的扫描周期，这样可以使结构光图像稳定，避免闪烁现象，从而提高工业环境下获取测量对象图像的质量，提高图像量测的准确性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明专利使用例，而并非用作为对本发明专利的限定，只要在本发明专利的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本专利的权利要求书范围内。

Claims (10)

1. 一种结构光图像的增强方法，其特征在于，

该方法的具体步骤如下：

A.使用增强结构光成像装置获取包含结构光的背景图像；

B.使用增强结构光成像装置获取不含结构光的背景图像；

C.将步骤A中所述的包含结构光的背景图像减去B中所述的不含结构光的背景图像，获得结构光图像；

D.依次重复步骤A、B、C，获得结构光图像；

E.使用计算机对步骤C中所述的结构光图像与步骤D中所述的结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像，完成增强结构光成像。

2. 如权利要求1所述的结构光图像的增强方法，其特征在于，

所述的步骤A的具体步骤如下：

A1.保持被测对象固定；

A2.通过计算机控制使结构光控制器产生指定规格的电源，使结构光发生器产生结构光，结构光照射在被测对象上形成结构光影像；

A3.使用CCD照相机对被测对象拍照，并通过计算机的图像采集卡获取包含结构光的背景图像。

3. 如权利要求2所述的结构光图像的增强方法，其特征在于，

所述的步骤A2中，使用结构光控制器控制结构光发生器，从而调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化：

当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；

当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，通过结构光控制器使产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。

4. 如权利要求1所述的结构光图像的增强方法，其特征在于：

所述的步骤B的具体步骤如下：

B1.通过计算机控制使结构光控制器关闭电源，使结构光发生器关闭，被测对象上的结构光影像消失；

B2.使用CCD照相机对被测对象拍照，并通过计算机的图像采集卡获取不含结构光的背景图像。

5. 如权利要求1所述的结构光图像的增强方法，其特征在于：

所述的步骤D的重复次数至少为一次。

6. 如权利要求1所述的结构光图像的增强方法，其特征在于：

所述的步骤E中的叠加次数根据规定次数或结构光图像达到要求而设定：

达到规定叠加次数或结构光图像达到要求，完成结构光图像的增强；

未达到规定叠加次数或结构光图像未达到要求，继续与步骤D中所述的重复获得的结构光图像进行叠加，直至形成最终增强的结构光图像，完成结构光图像的增强。

7. 一种结构光图像的增强装置，其特征在于：

该装置包括结构光发生器、CCD照相机、计算机、结构光控制器，

所述的结构光发生器为结构光光源，连接到结构光控制器，并通过结构光控制器的控制，产生结构光；

所述的CCD照相机连接到计算机，对被测对象进行拍照；

所述的结构光控制器产生或关闭电源，使结构光发生器产生和关闭结构光；

所述的计算机连接到结构光控制器，对结构光控制器发出指令，并图像进行编辑相减和叠加；计算机还设有图像采集卡对CCD照相机的拍摄进行采集，获取图像，对图像进行编辑相减和叠加。

8. 如权利要求7所述的结构光图像的增强装置，其特征在于，

所述的结构光控制器包括：

电源输入及标准化电路，对外部输入的电源进行方向保护及过压过流限制，同时对输入工作电压进行标准化转化，变成标准的固定电压；

隔离电源转换电路，将标准化的电源进行隔离转换，提供给控制器电路，同时将来自控制器和计算机的各种干扰与结构光发生器隔离开，提高系统的可靠性；

控制元件及通讯接口电路，通过外部控制模式设定信号，确定控制元件的工作模式：通讯方式下，通过串行通讯给出电源的开关命令；I/O模式下，由外部的I/O信号选择结构光，控制结构光电源的开关；控制元件通过通讯接口电路接受外部的设定参数；通讯接口电路将控制元件内部的数字电平转换为通讯接口的标准电平；

光电隔离及结构光电源控制电路，接收控制元件发出的控制信号，通过电耦的隔离，转换成结构光发生器的控制信号，通过MOS管控制结构光发生器的输出和关闭。

9. 如权利要求8所述的结构光图像的增强装置，其特征在于：

所述的结构光控制器还具有PWM占空比可调功能，控制结构光发生器，从而调节结构光的亮度，减少结构光图像的亮度变化：

当被测对象较近或者用结构光比较亮的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比降低，使结构光的亮度降低；

当被测对象较远或者用结构光比较暗的部分进行照射时，结构光控制器产生的输出电源的占空比提高，使结构光的亮度提高。

10. 如权利要求9所述的结构光图像的增强装置，其特征在于：

所述的结构光控制器的占空比的周期小于CCD相机的扫描周期。

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