CN102944187A - 一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，它有十三个步骤。传统基于正弦条纹投射的三维形貌立体视觉检测方法包括条纹投射与图像采集、相位解算、立体匹配和三维复现，本发明在条纹投射的过程中，利用不同颜色的光亮度不同的特点，针对被测物不同区域反射率不同的问题，将彩色光组合后进行投射，同时在图像采集的过程中，使用不同的相机曝光时间，有效克服强反射表面引起的相机采集条纹图像饱和或条纹图像过暗，能够实现金属等强反射表面立体视觉检测过程中相位的有效获取。该方法具有快速、简单、可靠性好的特点，可用于金属等强反射表面三维形貌的光学非接触测量。

Description

一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法

技术领域

本发明涉及一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，该方法能够有效解决具有强反射表面物体进行三维形貌测量时大量点相位获取失败的问题，可用于金属等强反射表面的高精度的三维形貌测量，也可用于反射率变化较大的物体表面三维形貌测量。本发明属于光学三维测量技术领域。

背景技术

基于正弦条纹投射的立体视觉检测方法作为典型的非接触光学主动三维测量方法，广泛应用于三维形貌测量、逆向工程和质量检测等诸多领域。但在测量金属等强反射表面三维形貌时，这种主动视觉的方法往往会失效。主要原因在于，对于金属等具有强反射表面的物体来说，物体表面的强反射性质使得相机采集到的图像部分饱和或过暗，产生信息失真，导致相位解算的失败，进而引起测量精度的大幅下降，甚至难以进行正常测量。

针对这一问题，国内外提出了不同的解决方法。如利用被测物体表面在不同角度下反光区域也不尽相同的特点，避开镜面反射区域，利用漫反射进行多角度局部测量，再整体拼接成完整被测表面，此方法在整体拼接过程会引入误差，影响测量精度，同时测量时间大大增长。再有，利用被测物体表面镜面反射和漫反射的不同偏振特性，在观测相机前加装偏振片，利用偏振片滤除具有偏振特性的镜面反射，只让漫反射光进入观测相机，从而实现测量，但对金属等物体表面来说，漫反射光较弱，降低了测量精度。另外，采用向具有强反光表面喷涂某种粉末，使被测物体呈现漫反射特性，以利于光学三维测量，但是，粉末厚度的不确定性增加了测量误差，同时喷涂过程需要大量时间。

总之，目前国内外在强反射表面三维形貌的非接触光学主动三维测量方面没有一个完备的能够实现快速相位获取的方法，本发明针对此问题提出了一种简便、快速、可靠的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，以克服现有非接触光学主动三维测量方法在测量强反射表面三维形貌时的无法完成相位解算的问题。

本发明的技术解决方案为：先投射不同颜色的单色光，并在不同曝光时间下采集图像，根据调制亮度最佳的原则，将获取到的多幅单色图像进行提取，获得每一视场下每一点实现调制亮度最佳的投射组合。再投射白光正弦条纹，并在不同曝光时间下采集条纹图像，对获得的图像进行处理、解相、相展开，获取最终的全场相位解算结果。其特征在于包括以下步骤：

步骤一：设置曝光数组T={T_i},i＝1,2,...,n；

步骤二：使用投影仪分别投射灰度值为A+B的红、绿、蓝单色光；

步骤三：调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR={PR_i},i＝1,2,...,n、PG={PG_i},i=1,2,...,n、PB={PB_i},i=1,2,...,n；

步骤四：使用投影仪分别投射灰度值为A的红、绿、蓝单色光；

步骤五：调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR1={PR′_i},i＝1,2,...,n、PG1={PG′_i},i=1,2,...,n、PB1={PB′_i},i=1,2,...,n；

步骤六：计算得到3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I={I_i},i＝1,2,...,3n；

步骤七：对于调制亮度数组中的每个元素，顺序赋予其编号，建立编号数组S={s_i},i＝1,2,...,3n；

步骤八：对于原始尺寸为X*Y大小的图像，建立大小为X*Y的索引数组M；

步骤九：对于图像中的每一点p(x,y)，遍历其在调制亮度数组I中每个调制亮度矩阵中对应的元素，将其调制亮度最大值所在的调制亮度矩阵对应的编号s存入索引数组M对应的(x,y)中；

步骤十：分别投射不同曝光时间T_i,i＝1,...,n下的白光条纹及其相移；白光条纹及其相移条纹的光强函数可以表述为：

g_i(x,y)＝a(x,y)＋r(x,y)cos[Φ(x,y)＋i*2π/N]。式中符号说明如下：g_i(x,y)为第i幅图的光强分布函数，a(x,y)为背景光强函数，r(x,y)为被测表面反射系数，Φ(x,y)为相位主值，N为相移的步数。

步骤十一：在不同曝光时间T_i下拍摄其对应的白色条纹相移图；

步骤十二：将每幅白色条纹相移图拆成红、绿、蓝单色条纹相移图，根据索引数组M，保留相应的每幅单色条纹相移图中的有效像素；

步骤十三：对于每一曝光时间，均有一组对应的相移图。将所有的不同曝光时间获取的相移图进行叠加、合并，获得一组全场的合成相移图，并对其进行解相、相展开计算，获得全场最终的相位解算结果。

其中，步骤一中的曝光数组T中包含多个曝光时间，总计为n个，按照从短到长依次排列。

其中，步骤二中所述的灰度值A+B，对于常见的商用投影设备来说，其灰度范围一般为0~255。

其中，步骤六中所述的的调制亮度数组中的元素为调制亮度矩阵。每个调制亮度矩阵为对应曝光时间、对应颜色的两幅图像相减获得，曝光时间共n种，颜色共三种，总计3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I。

其中，步骤七中所述的的调制亮度数组元素，根据其来源图像的颜色，按照红、绿、蓝的顺序；根据其来源图像的曝光时间，按照由小到大的顺序，给数组中的每一个调制亮度矩阵赋予一个唯一的编号s，元素和编号一一对应，建立编号数组S={s_3n}；

其中，步骤九中所述的图像中的每一点p(x,y)，其在每个调制亮度矩阵中都有对应的调制亮度值，总计3n个调制亮度值。对这3n个调制亮度值进行遍历搜索，记最大值为i_pMax，i_pMax对应的调制亮度矩阵为i_m，i_m在编号数组S中对应的编号为s，将s存入索引数组M对应的位置(x,y)中。

其中，步骤十二中所述的将每一幅白光条纹图拆分成三幅红、绿、蓝单色条纹图，遍历索引数组M，将索引数组M中每一编号对应的条纹图中的像素值保留，条纹图中的其它像素值均置为零。

本发明的原理是：不同颜色的光亮度不同，经单色相机采集后成为具有天然亮度差值的图像。针对强反射表面不同区域某些条纹图像饱、某些条纹图像过暗的问题，本发明采用三种不同颜色组合成彩色图像进行投射、多曝光时间采集图像，克服强反射表面引起的条纹图像饱和或条纹图像过暗。投射绿光的部分，提高了强反射表面的非高反光区域条纹亮度，改善条纹图像过暗对测量的影响；投射蓝光的部分，降低了强反射表面的高反光区域条纹亮度，降低条纹图像饱和的可能性；投射红光的部分则适合表面反射率变化不强烈的折中区域。采用多曝光时间方法，采集并生成高动态范围的具有高调制亮度的条纹图像，提高相机能够正确采集的亮度范围，降低条纹图像饱和与条纹图像过暗的可能性；根据以上原理，可以实现强反射表面条纹图像的正确相位解算，避免条纹图像失真对测量的不利影响。

本发明与现有技术相比的优点在于：（1）广泛适用于各种基于相位投射的强反射表面三维形貌测量，适应性强。（2）无需添加任何新的硬件，方法简便实现成本较低。（3）在不影响精度的前提下，速度快且可靠。

附图说明

图1为本发明一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位解算方法流程图；

具体实施方式

见图1，本发明一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位解算方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）设置曝光数组T={T_i},i＝1,2,...,n；

其中，曝光数组T中包含多个曝光时间，总计为n个，按照从短到长依次排列。

（2）使用投影仪分别投射灰度值为A+B的红、绿、蓝单色光；

其中，所述的灰度值A+B，对于常见的商用投影设备来说，其灰度范围一般为0~255。

（3）调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR={PR_i},i＝1,2,...,n、PG={PG_i},i＝1,2,...,n、PB={PB_i},i＝1,2,...,n；

（4）使用投影仪分别投射灰度值为A的红、绿、蓝单色光；

（5）调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR1={PR′_i},i＝1,2,...,n、PG1={PG′_i},i＝1,2,...,n、PB1={PB′_i},i＝1,2,...,n；

（6）计算得到3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I={I_i},i＝1,2,...,3n；

其中，调制亮度数组中的元素为调制亮度矩阵。每个调制亮度矩阵为对应曝光时间、对应颜色的两幅图像相减获得，曝光时间共n种，颜色共三种，总计3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I。

（7）对于调制亮度数组中的每个元素，顺序赋予其编号，建立编号数组S={s_i},i＝1,2,...,3n；

其中，调制亮度数组元素，根据其来源图像的颜色，按照红、绿、蓝的顺序；根据其来源图像的曝光时间，按照由小到大的顺序，给数组中的每一个调制亮度矩阵赋予一个唯一的编号s，元素和编号一一对应，建立编号数组S={s_3n}；

（8）对于原始尺寸为X*Y大小的图像，建立大小为X*Y的索引数组M；

（9）对于图像中的每一点p(x,y)，遍历其在调制亮度数组I中每个调制亮度矩阵中对应的元素，将其调制亮度最大值所在的调制亮度矩阵对应的编号s存入索引数组M对应的(x,y)中；

其中，每一点p(x,y)，其在每个调制亮度矩阵中都有对应的调制亮度值，总计3n个调制亮度值。对这3n个调制亮度值进行遍历搜索，记最大值为i_pMax。i_pMax对应的调制亮度矩阵为i_m，i_m在编号数组S中对应的编号为s，将s存入索引数组M对应的位置(x,y)中。

（10）分别投射不同曝光时间T_i,i＝1,...,n下的白光条纹及其相移；

其中，白光条纹及其相移条纹的光强函数可以表述为：

g_i(x,y)＝a(x,y)＋r(x,y)cos[Φ(x,y)＋i*2π/N]。式中符号说明如下：g_i(x,y)为第i幅图的光强分布函数，a(x,y)为背景光强函数，r(x,y)为被测表面反射系数，Φ(x,y)为相位主值，N为相移的步数。

（11）在不同曝光时间T_i下拍摄其对应的白色条纹相移图；

（12）将每幅白色条纹相移图拆成红、绿、蓝单色条纹相移图，根据索引数组M，保留相应的每幅单色条纹相移图中的有效像素；

其中，将每一幅白光条纹图拆分成三幅红、绿、蓝单色条纹图，遍历索引数组M，将索引数组M中每一编号对应的条纹图中的像素值保留，条纹图中的其他像素值均置为零。

（13）将不同曝光时间获取的相移图进行叠加、合并，获得全场的合成相移图，进行解相、相展开计算，获得全场最终的相位解算结果。

其中，对于每一曝光时间，均有一组对应的相移图。将所有曝光时间的对应的相移图合并成一组全场的相移图，对这组相移图进行解相、相展开，获得全场的相位解算结果。当用最小二乘法求解相位Φ(x,y)有如下表达式：

式中符号说明如下：g_i(x,y)为第i幅图的光强分布函数，N为相移步数。

针对不同情况，可以采用不同的相位展开方法，最终获得全场的相位解算结果。

Claims (7)

1.一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：设置曝光数组T={T_i},i＝1,2,...,n；

步骤二：使用投影仪分别投射灰度值为A+B的红、绿、蓝单色光；

步骤三：调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR={PR_i},i＝1,2,...,n、PG={PG_i},i=1,2,...,n、PB={PB_i},i=1,2,...,n；

步骤四：使用投影仪分别投射灰度值为A的红、绿、蓝单色光；

步骤五：调整相机曝光时间，使其在T_i,i＝1,...,n的曝光时间下分别拍摄投影仪投射的红、绿、蓝单色光，分别获得单色图像数组PR1={PR′_i},i＝1,2,...,n、PG1={PG′_i},i=1,2,...,n、PB1={PB′_i},i=1,2,...,n；

步骤六：计算得到3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I={I_i},i＝1,2,...,3n；

步骤七：对于调制亮度数组中的每个元素，顺序赋予其编号，建立编号数组S={s_i},i＝1,2,...,3n；

步骤八：对于原始尺寸为X*Y大小的图像，建立大小为X*Y的索引数组M；

步骤九：对于图像中的每一点p(x,y)，遍历其在调制亮度数组I中每个调制亮度矩阵中对应的元素，将其调制亮度最大值所在的调制亮度矩阵对应的编号s存入索引数组M对应的(x,y)中；

步骤十：分别投射不同曝光时间T_i,i＝1,...,n下的白光条纹及其相移；白光条纹及其相移条纹的光强函数表述为：g_i(x,y)＝a(x,y)＋r(x,y)cos[Φ(x,y)＋i*2π/N]；式中符号说明如下：g_i(x,y)为第i幅图的光强分布函数，a(x,y)为背景光强函数，r(x,y)为被测表面反射系数，Φ(x,y)为相位主值，N为相移的步数；

步骤十一：在不同曝光时间T_i下拍摄其对应的白色条纹相移图；

步骤十二：将每幅白色条纹相移图拆成红、绿、蓝单色条纹相移图，根据索引数组M，保留相应的每幅单色条纹相移图中的有效像素；

步骤十三：对于每一曝光时间，均有一组对应的相移图；将所有的不同曝光时间获取的相移图进行叠加、合并，获得一组全场的合成相移图，并对其进行解相、相展开计算，获得全场最终的相位解算结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤一中的曝光数组T中包含复数个曝光时间，总计为n个，按照从短到长依次排列。

3.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤二中所述的灰度值A+B，对于商用投影设备来说，其灰度范围为0~255。

4.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤六中所述的的调制亮度数组中的元素为调制亮度矩阵，每个调制亮度矩阵为对应曝光时间、对应颜色的两幅图像相减获得，曝光时间共n种，颜色共三种，总计3n个调制亮度矩阵，建立调制亮度数组I。

5.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤七中所述的的调制亮度数组元素，根据其来源图像的颜色，按照红、绿、蓝的顺序；根据其来源图像的曝光时间，按照由小到大的顺序，给数组中的每一个调制亮度矩阵赋予一个唯一的编号s，元素和编号一一对应，建立编号数组S={s_3n}。

6.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤九中所述的图像中的每一点p(x,y)，其在每个调制亮度矩阵中都有对应的调制亮度值，总计3n个调制亮度值；对这3n个调制亮度值进行遍历搜索，记最大值为i_pMax。i_pMax对应的调制亮度矩阵为i_m，i_m在编号数组S中对应的编号为s，将s存入索引数组M对应的位置(x,y)中。

7.根据权利要求1所述的一种基于彩色条纹组合投射的快速强反射表面相位获取方法，其特征在于：步骤十二中所述的将每一幅白光条纹图拆分成三幅红、绿、蓝单色条纹图，遍历索引数组M，将索引数组M中每一编号对应的条纹图中的像素值保留，条纹图中的其它像素值均置为零。

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