CN101788274B - 一种彩色复合光栅的三维面形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种彩色复合光栅的三维面形测量方法。包括以下步骤：A.设置三角测量系统；B.投射彩色复合编码图像：通过彩色光栅投射器向待测物体投射彩色复合编码图像，所述彩色复合编码图像的编码方法为：在R、G、B三色通道的其中一个通道中写入均匀排列的数字点阵图像，在另两个通道中分别写入光强呈正弦变化的正弦条纹图像和背景光图像，再将数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像合成为一幅彩色复合编码图像；C.拍摄并分离经被测物体反射后的彩色复合编码图像；D.相位展开预处理；E.由截断相位展开得到物体三维面形数据。本发明的有益效果：提高了测量效率，能够对动态物体实现高速实时测量。

Description

一种彩色复合光栅的三维面形测量方法

技术领域

本发明属于三维数字成像技术，具体涉及一种彩色复合光栅的三维面形测量方法。

背景技术

光学三维测量具有非接触、测量效率高、精度高等优点，广泛应用于机器视觉、工业检测、生物医学、文物保护、反求工程等领域。光学三维测量技术分为主动三维传感和被动三维传感。主动三维传感中的傅里叶变换轮廓术由于其全场性、非接触性、具有较高的测量精度和测量效率而得到了广泛关注。它通过向被测物体投射一幅光强呈正弦变化的条纹图，形成面结构光照明，一次测量即可得到完整的物体三维面形。但由于反三角函数的使用，使得计算出的相位值在-π和π之间发生了截断，对表面具有较大起伏的物体很难进行相位展开。对此，人们做了大量的研究并提出了包括基于调制度的相位展开算法、最小二乘法、时间相位展开算法、洪水算法等，在一定程度上解决了相位展开的难题。因此，如何对不连续三维物体进行正确的相位展开以及防止误差传播仍然是傅里叶变换轮廓术的难点与研究热点。

如中国发明专利CN200410094143.X公开了一种利用复合编码实现多分辨三维数字成像的方法，即，基于点阵投影和条纹投影相结合的三维数字化技术。该方法采用数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的成像装置。以发射器出瞳、图像传感接收器入瞳与光场中心形成三角测量系统；首先，利用点阵投影三维数字成像没有相位模糊的特点，以点阵编码获取物体的较低分辨率的三维深度像，再投射条纹到物体表面，利用空间相位调制精度高的特点，结合已经获得的物体低分辨深度像进行相位展开，进一步获取被测物体更精细的多分辨三维数字像。本发明结合了点阵投影和条纹投影两种不同编码方式的三维数字成像方法的优点，三维数字成像精度高，对拓扑复杂的曲面有较强的普适性。但是，该方法需要多次投影不同疏密程度的二维数字点阵图像，二维数字点阵图像和正弦条纹图像也需要分别进行投射，并且在后续处理过程中，需要计算处理前述多次投影得到的多幅图像数据，因而大大降低了测量效率。

发明内容

本发明的目的是为了提高三维面形测量方法的测量效率，提供了一种彩色复合光栅的三维面形测量方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种彩色复合光栅的三维面形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.设置三角测量系统：采用彩色数码相机、彩色光栅投射器和图像处理器组成的成像装置，使彩色光栅投射器的出瞳、彩色数码相机的入瞳和光场中心处于同一平面内构成一个三角测量系统；

B.投射彩色复合编码图像：通过彩色光栅投射器向待测物体投射彩色复合编码图像，所述彩色复合编码图像的编码方法为：在R、G、B三色通道的其中一个通道中写入均匀排列的数字点阵图像，在另两个通道中分别写入光强呈正弦变化的正弦条纹图像和背景光图像，再将数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像合成为一幅彩色复合编码图像；

C.拍摄并分离经被测物体反射后的彩色复合编码图像：由彩色数码相机拍摄经被测物体反射后的彩色复合编码图像，并将拍摄得到的反射后的彩色复合编码图像利用色彩分离技术进行R、G、B三通道分离，获得每个通道上的灰度图像；

D.相位展开预处理：由数字点阵图像所在通道获得的反射后的数字点阵图像计算得到采样点处的绝对相位值，由正弦条纹图像所在通道获得的反射后的正弦条纹图像计算得到截断相位，由背景光图像所在通道获得的反射后的背景光图像得到待测物体边缘轮廓；

E.由截断相位展开得到物体三维面形数据：结合数字点阵图像得到的采样点处的绝对相位值与背景光图像得到的待测物体边缘轮廓信息控制由正弦条纹图像计算得到的截断相位展开，根据系统几何参数进行仿射变换，得到被测物体表面三维面形数据。

可选择的，在上述步骤C之后，还包括步骤：

F.对正弦条纹图像进行色彩校正，以消除彩色数码相机和彩色光栅投射器引入的光场非正弦性误差。

可选择的，在上述步骤C之后，还包括步骤：

G.对R、G、B通道内的数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像进行滤波或直方图均衡处理，用以去除环境和器件本身的噪声，提高图像对比度，获得更佳的图像质量。

本发明的有益效果：由于本发明将数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像复合成一幅彩色复合编码图像，然后将该彩色复合编码图像单次投影到待测物体上，彩色数码相机拍摄一帧经物体表面反射后的彩色复合编码图像即可分离获得数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像，分别计算可得到物体表面采样点处绝对相位值、正弦条纹图像的截断相位和待测物体的轮廓信息。根据采样点处的绝对相位值和物体轮廓信息可以控制截断相位进行相位展开得到物体三维面形数据。利用该方法进行物体三维面形测量仅需投射和采集一帧图像，提高了测量效率，能够对动态物体实现高速实时测量。

附图说明

图1是本发明的主流程图。

图2是本发明的测量装置的结构示意图。

图3是本发明投射的彩色复合编码图像的生成示意图。

图4是采用本发明对一个实体模型实际测量时投射的彩色复合编码图像。

图5是本发明图4中分离得到的R通道的变形后的数字点阵图像。

图6是本发明图4中分离得到的G通道的变形后的正弦条纹图像。

图7是本发明图4中分离得到的B通道的背景光图像。

图8是本发明根据图6中变形后的正弦条纹图像得到的截断相位分布图。

图9是本发明根据图7中的背景光图像得到的石膏体模型边缘轮廓。

图10是本发明根据图5中的变形后的数字点阵图像测得的石膏体模型三维面形数据分布图。

图11是本发明测量方法得到的实际测量结果的三维面形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种彩色复合光栅的三维面形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.设置三角测量系统：采用彩色数码相机、彩色光栅投射器和图像处理器组成的成像装置，使彩色光栅投射器的出瞳、彩色数码相机的入瞳和光场中心处于同一平面内构成一个三角测量系统。

如图2所示，为本实施例的测量装置的结构示意图，其结构采用一台彩色数码相机、一个彩色光栅投射器和图像处理器组成成像装置。彩色光栅投射器的出瞳E、彩色数码相机的入瞳B和光场中心O组成一个三角形且位于同一平面内，投影光轴EO与成像光轴BO夹角为θ，L₀是出瞳E到参考平面光场中心的直线距离，d为出瞳E和入瞳B的直线距离。在本例中彩色光栅投射器采用的是EMPSON EMP-S1数字微反射镜器件(DMD)的数字投影仪，分辨率800×600。彩色数码相机采用的是Sony H2，选用分辨率为640×480。图像处理器采用的是处理器为AMD5200+，主频2.71GHz，内存2G的电脑。

B.投射彩色复合编码图像：通过彩色光栅投射器向待测物体投射彩色复合编码图像，所述彩色复合编码图像的编码方法为：在R、G、B三色通道的其中一个通道中写入均匀排列的数字点阵图像，在另两个通道中分别写入光强呈正弦变化的正弦条纹图像和背景光图像，再将数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像合成为一幅彩色复合编码图像。

本实施例中，如图3所示，在R通道写入均匀排列的数字点阵图像，在G通道写入光强呈正弦变化的正弦条纹图像，在B通道写入背景光图像，再将三通道编码图像合成为一幅彩色编码图像。数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像可以在R、G、B三通道中任意排列。

C.拍摄并分离经被测物体反射后的彩色复合编码图像：由彩色数码相机拍摄经被测物体反射后的彩色复合编码图像，并将拍摄得到的反射后的彩色复合编码图像利用色彩分离技术进行R、G、B三通道分离，获得每个通道上的灰度图像。

如图4、5、6、7所示，用彩色CCD相机拍摄得到一帧经物体表面调制的变形彩色复合编码图像，用图像处理器将获得的彩色图像进行R、G、B三通道分离，分别得到数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像。

D.相位展开预处理：由数字点阵图像所在通道获得的反射后的数字点阵图像计算得到采样点处的绝对相位值，由正弦条纹图像所在通道获得的反射后的正弦条纹图像计算得到截断相位，由背景光图像所在通道获得的反射后的背景光图像得到待测物体边缘轮廓。

本实施例中，如图5所示是由R通道得到的经物体表面反射的变形数字点阵图像。事先在系统搭建完成后，对一个标准平面进行测试，即将待测标准平面沿垂直于彩色光栅投射器光轴方向放置并且沿该光轴方向前后移动，由彩色光栅投射器向标准平面投射均匀排列的数字点阵图像。由彩色数码相机拍摄记录下各个采样点在像平面上随标准平面移动的变化轨迹，而标准平面与参考平面的距离已知，可以建立采样点在像平面上的重心坐标与标准平面上该采样点与参考平面的距离关系查找表。根据图5灰度值分布对图像中的每个采样点进行求重心计算，得到每个采样点对应的重心坐标。利用计算得到的采样点重心坐标在前述查找表中查找得到各个采样点对应的与参考平面的距离，即该采样点处物体高度值。

本实施例中，如图6所示，由G通道得到的经物体表面反射后的正弦条纹图像可表示为，

g(x，y)＝R(x，y)[a+b·cosφ(x，y)]                    (1)

式中R(x，y)为物体表面反射率，g(x，y)表示经物体表面反射的变形正弦条纹图像强度，a为背景光强度，b/a表示条纹对比度，φ(x，y)为经物体表面调制的相位。对上式表示的正弦条纹图像进行傅里叶变换得到的频谱分布可表示为

G(f，y)＝A(f，y)+Q(f-f₀，y)+Q^*(f+f₀，y)            (2)

式中，Q(f-f₀，y)是

的傅里叶变换，*表示共轭。选择合适的窗口进行滤波可得到其基频分量，再进行傅里叶逆变换可以计算得到光场的截断相位分布，结果如图8所示，其中，x像素点和y象素点分别表示像素点的横坐标和纵坐标。

本实施例中，如图7所示是由B通道得到的背景光图像。对该背景光图像进行边缘检测得到待测物体边缘轮廓，结果如图9所示。

E.由截断相位展开得到物体三维面形数据：结合数字点阵图像得到的采样点处的绝对相位值与背景光图像得到的待测物体边缘轮廓信息控制由正弦条纹图像计算得到的截断相位展开，根据系统几何参数进行仿射变换，得到被测物体表面三维面形数据。

根据R通道得到的采样点处绝对相位值，结合B通道得到的物体边缘轮廓信息控制G通道的截断相位进行展开。当相位展开进行到由B通道得到的物体边缘轮廓时，改变相位展开路径，绕过此处的物体边缘轮廓线，相位展开路径不直接穿过物体边缘轮廓。当展开进行到数字点阵图像采样点处时，将此处的相位展开值与采样点绝对相位值进行比较。若两者差值在事先设定的允许范围内时则继续展开，否则用该采样点处的绝对相位值修正相位展开值。当某一区域被物体轮廓线完全包围，而此区域以外区域所有未被包围点相位均被展开时，以该被包围区域内的采样点为起点对该区域内部进行相位展开。最后，对物体边缘轮廓线上的点进行相位展开。

如上所述对所有数据点进行相位展开，由展开后的绝对相位分布根据成像系统几何参数计算出待测物体表面三维数据。如图10是本实施例根据图5中的变形后的数字点阵图像测得的石膏体模型三维数据分布图，它由x采样点、y采样点和绝对相位Φ(单位为弧度rad)构成三维空间坐标。如图11是本实施例测量方法得到的实际测量结果的三维面形图，它由它由x像素点、y像素点和高度(单位为毫米mm)构成三维空间坐标。

为了消除彩色数码相机和彩色光栅投射器引入的光场非正弦性误差，可选择的，在上述步骤C之后，还包括步骤：

F.对正弦条纹图像进行色彩校正，以消除光场引入的非正弦性误差。其具体原理为：通过彩色光栅投射器向标准白色平板投射一系列事先已知的、不同灰度的均匀白色图像，用彩色数码相机分别对其进行拍照。将R、G、B三通道进行色彩分离，分别得到三通道的一系列灰度图像。然后将各通道图像的灰度级分别与事先设定的投影图像的灰度级进行比较，得到彩色光栅投射器与数码相机所组成的系统对各个不同设定灰度级的响应情况。根据其响应规律对得到的彩色复合编码图像R、G、B三通道灰度图像进行灰度级校正即色彩校正，可以消除系统对不同灰度级非正弦性响应引入的误差。

为了去除环境和器件本身的噪声，可选择的，在上述步骤C之后，还包括步骤：

G.对R、G、B通道内的数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像进行滤波或直方图均衡等处理，用以去除环境和器件本身的噪声，提高图像对比度，获得更佳的图像质量。在本步骤中，采用滤波窗口大小为5×5的均值滤波和直方图均衡处理，对三个通道均收到了较好的效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种彩色复合光栅的三维面形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.设置三角测量系统：采用彩色数码相机、彩色光栅投射器和图像处理器组成的成像装置，使彩色光栅投射器的出瞳、彩色数码相机的入瞳和光场中心处于同一平面内构成一个三角测量系统；

B.投射彩色复合编码图像：通过彩色光栅投射器向待测物体投射彩色复合编码图像，所述彩色复合编码图像的编码方法为：在R、G、B三色通道的其中一个通道中写入均匀排列的数字点阵图像，在另两个通道中分别写入光强呈正弦变化的正弦条纹图像和背景光图像，再将数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像合成为一幅彩色复合编码图像；

C.拍摄并分离经待测物体反射后的彩色复合编码图像：由彩色数码相机拍摄经待测物体反射后的彩色复合编码图像，并将拍摄得到的反射后的彩色复合编码图像利用色彩分离技术进行R、G、B三通道分离，获得每个通道上的灰度图像；

D.相位展开预处理：由数字点阵图像所在通道获得的反射后的数字点阵图像计算得到采样点处的绝对相位值，由正弦条纹图像所在通道获得的反射后的正弦条纹图像计算得到截断相位，由背景光图像所在通道获得的反射后的背景光图像得到待测物体边缘轮廓；

E.由截断相位展开得到物体三维面形数据：结合数字点阵图像得到的采样点处的绝对相位值与背景光图像得到的待测物体边缘轮廓信息控制由正弦条纹图像计算得到的截断相位展开，根据系统几何参数进行仿射变换，得到待测物体表面三维面形数据；根据R通道得到的采样点处绝对相位值，结合B通道得到的物体边缘轮廓信息控制G通道的截断相位进行展开；当相位展开进行到由B通道得到的物体边缘轮廓时，改变相位展开路径，绕过此处的物体边缘轮廓线，相位展开路径不直接穿过物体边缘轮廓；当展开进行到数字点阵图像采样点处时，将此处的相位展开值与采样点绝对相位值进行比较；若两者差值在事先设定的允许范围内时则继续展开，否则用该采样点处的绝对相位值修正相位展开值；当某一区域被物体轮廓线完全包围，而此区域以外区域所有未被包围点相位均被展开时，以该被包围区域内的采样点为起点对该区域内部进行相位展开；最后，对物体边缘轮廓线上的点进行相位展开。

2.根据权利要求1所述的一种彩色复合光栅的三维面形测量方法，其特征在于，在上述步骤C之后，步骤D之前，还包括步骤：

F.对正弦条纹图像进行色彩校正，以消除彩色数码相机和彩色光栅投射器引入的光场非正弦性误差。

3.根据权利要求1所述的一种彩色复合光栅的三维面形测量方法，其特征在于，在上述步骤C之后，步骤D之前，还包括步骤：

G.对R、G、B通道内的数字点阵图像、正弦条纹图像和背景光图像进行滤波或直方图均衡处理，用以去除环境和器件本身的噪声，提高图像对比度，获得更佳的图像质量。

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