CN103884294A - 一种宽视场的红外光三维形貌测量的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大范围的红外光三维形貌测量的方法，它包括以下步骤：1)将0.5线/mm的光栅由红外投影仪投影到待测物体上；2)从三个角度采集投影图像，依次记录所述投影设备在不同视角投影到参考平面的标定图像，其次依次记录所述各投影设备在测量时刻投影到被测物体表面的测量图像；3)在所述标定图像和测量图像中使用分割算法分割出投影线，并使用中线识别算法确定投影线的中线位置；4)使用三角测量原理，得到所述标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据，即每根投影线的离面位移曲线；5)利用曲线间欧氏距离及四元数计算相邻拍摄角度之间的旋转平移矩阵；6)将所述各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；在采集投影图像时，要从三个角度采集投影图像；其约束条件为，相邻采集角度之间有一部分信息是重合的，用于计算步骤5)中的旋转平移矩阵。

Description

一种宽视场的红外光三维形貌测量的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种机器视觉方法及装置，特别关于一种宽视场的红外光三维形貌测量的方法及装置。

背景技术

三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段，不仅在军事、工业等领域具有重要意义，而且在医药健康、艺术娱乐等民用领域具有广阔的应用前景。光学非接触三维形貌测量具有全场、快速、高分辨率和数据提取迅速等优点而被广泛应用。目前常用的光学非接触三维形貌测量方法包括激光三角投影法、莫尔投影法和结构光法等。其中结构光法可以在较短的时间里测量数据，从而大大提高测量速度。这种方法的优点是信号处理简单，无须复杂的条纹分析就能确定各个测量点的绝对高度信息，甚至可以通过一次成像就获得全场的三维信息。

目前的结构光法的投影模式大多为条纹或网格。被测物表面的阴影、遮挡、突变及边缘会导致条纹中线断裂，中线断裂会导致信息缺失及条纹错位，严重影响测量精度。为了弱化条纹断裂及错位对测量精度的影响，现有的测量模式往往需要时间或空间编码，但编码过程复杂，还需设计与之相应的解码算法，所以时间复杂度较高。在对真人进行测量时，光线可见且过于刺眼。由于条纹的颜色信息被用于编码，很难用于红外条件下的测量。除此之外，现有的结构光方法大多从单一角度拍摄，测量范围较小，且很难得到遮挡部分的三维形貌。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于结构光的非编码条纹大范围红外三维形貌测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大范围的红外光三维形貌测量的方法，它包括以下步骤：1)将0.5线/mm的光栅由红外投影仪投影到待测物体上；2)从三个角度采集投影图像，首先依次记录所述各投影设备在标定时刻投影到参考平面的标定图像，其次依次记录所述各投影设备在测量时刻投影到被测物体表面的测量图像；3)在所述标定图像和测量图像中使用分割算法分割出投影线，并使用中线识别算法确定投影线的中线位置；4)使用三角测量原理，得到所述标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据，即每根投影线的离面位移曲线；5)利用曲线间欧氏距离及四元数计算相邻拍摄角度之间的旋转平移矩阵；6)将所述各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；

所述步骤2)中从三个角度采集投影图像；其约束条件为，相邻采集角度之间有一部分信息是重合的。

一种大范围的红外光三维形貌测量的装置，其特征在于：它包括一个红外投影设备、一个图像采集设备、一个旋转平面、一个参考平面和一台计算机；所述计算机中预置有投影线分割程序；所述旋转平面与投影设备的投影方向相平行；所述参考平面设置在所述图像采集设备的正前方；所述图像采集设备采集所述投影设备的图像信息，并输入所述计算机中，得出三维形貌测量结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的装置为红外光源，可以在红外条件下工作，因此可以在被试不知情的情况下完成图像采集及三维重建。2、本发明的投影模式是非编码的，省去了冗杂的编码和解码过程，大大降低算法的时间复杂度，并可以用于测量动态物体。3、本发明解决了部分阴影、遮挡、突变区域及边缘部分的条纹中线断裂问题，提高了测量精度。4、本发明的从多个角度采集投影图片，延拓了三维重建的范围。

附图说明

图1是本发明的简化测量系统示意图

图2是本发明的红外投影仪结构图

图3是本发明的实施例投影图

图4是本发明的实施例效果图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，单套本发明的装置包括一个投影设备1、一个图像采集设备2、一个参考平面3、旋转平面4和一台计算机(图中未示出)。投影设备1的具体构造如图2所示。图像采集设备2为用采集静态图像的红外照相机或采集动态图像的红外摄像机；参考平面3为设置在图像采集设备2对侧的一个白色平面。被测物体5置于旋转平面4上。且旋转平面4与参考平面3的夹角等于投影设备1轴心与图像采集设备2光心与投影设备1光心连接线的夹角。投影设备1向被测物体5进行投影，投影线会覆盖被测物体5的表面，从而随着被测物体5表面轮廓发生形变。图像采集设备2采集到的图像信息输入到计算机中进行处理。图像采集设备2正对被测物体5，对在旋转平面4上旋转的被测物体5的表面进行图像采集，记录标定时刻投影在参考平面3上的标定图像，以及测量时刻投影在被测物体5表面的测量图像。

如图2所示，本发明的红外投影设备由五个光学元件组成。从左至右分别为：一个3W的红外光源，一个12.1寸、焦距为220mm的后菲涅尔镜，一个0.5线/mm的光栅，一个12.1寸、焦距为330mm的前菲涅尔镜以及一个焦距为330mm的透镜。

下面对投影图像处理方法进行描述，它包括以下步骤：

1)多角度采集投影图像。投影设备1向参考平面3投影，图像采集设备2对参考平面3进行图像采集，得到1张标定图像。图像采集设备2对被测物体4的表面投影，图像采集设备2对被测物体4的表面进行图像采集。其次，把被测物体4绕z轴旋转一定角度，记录投影在被测物体4上的图像。最后，再把被测物体4绕z轴旋转一定角度，记录投影在被测物体4上的图像，如图1所示。

2)在标定图像和测量图像中分割出投影线，并确定投影线的中线位置。首先，提取图像采集设备2采集的每张投影线图像的亮度信息，并使用边界算子对图像亮度信息进行二次卷积得到二值化图像。其次，对二值化图像使用灰度重心法求得亚像素精度的中线位置。本步骤中可使用现有的各种分割算法和中线识别算法，分割算法如区域生长法、分水岭法、主动轮廓法和level-set法等；中线识别算法如二阶倒数法、距离场法等。

3)使用三角测量原理处理分割后的投影线，得到每根投影线的离面位移曲线。利用模式识别的方法识别相邻拍摄角度的离面位移曲线。本实施例中利用曲线段间的欧氏距离及四元数进行曲线识别，并确定相邻拍摄角度之间的旋转平移矩阵。

4)当分别计算出三个拍摄角度投影线图像的三维数据后，利用相邻拍摄角度之间的旋转平移矩阵，就可以将不同角度的拍摄数据整合到最终的三维形貌数据中，进而得出被测物体4的大范围三维形貌测量结果。

如图4、图5所示，本实施例的测量结果表明，在图像采集设备2距离被测物体4约1.5米的情况下，系统测量精度可达到0.5mm以上，重建视角为290°。由此可知，本发明的快速三维形貌测量方法的测量范围和测量精度在同类方法中均达到领先水平，同时本发明的系统测量精度和灵敏度可通过提高投影设备1和图像采集设备2的质量和数量来进行提高。本发明的方法和装置不仅在军事、工业等领域具有重要意义，而且在医药健康、艺术娱乐等民用领域具广泛应用。

Claims (3)

1.一种大范围的红外光三维形貌测量的方法，它包括以下步骤：

1)将0.5线/mm的光栅由红外投影仪投影到待测物体上；

2)从三个角度采集投影图像，首先依次记录所述各投影设备在标定时刻投影到参考平面的标定图像，其次依次记录所述各投影设备在测量时刻投影到被测物体表面的测量图像；

3)在所述标定图像和测量图像中使用分割算法分割出投影线，并使用中线识别算法确定投影线的中线位置；

4)使用三角测量原理，得到所述标定图像和测量图像之间相应点的高度差数据，即每根投影线的离面位移曲线；

5)利用曲线间欧氏距离及四元数计算相邻拍摄角度之间的旋转平移矩阵；

6)将所述各投影设备的高度差数据合并到最终的三维形貌数据中，得出三维形貌测量结果；

所述步骤2)中从三个角度采集投影图像；其约束条件为，相邻采集角度之间有一部分信息是重合的。

2.如权利要求1所述的一种大范围的红外光三维形貌测量的方法，其特征在于：所用的投影模式是非编码的，通过判断所述步骤4)中所述不同拍摄角度的离面位移曲线间的欧氏距离，系统可以识别出哪两根曲线之间的相似度最高，进而根据四元数计算相邻角度之间的旋转平移矩阵。

3.一种实现如权利要求1～2所述的快速三维形貌测量的装置，其特征在于：它包括一个投影设备、一个图像采集设备、一个参考平面、一个旋转平面和一台计算机；图像采集设备为用采集静态图像的红外照相机或采集动态图像的红外摄像机；参考平面为设置在图像采集设备对侧的一个白色平面。被测物体置于旋转平面上。且旋转平面与参考平面的夹角等于投影设备轴心与图像采集设备光心与投影设备光心连接线的夹角。投影设备向被测物体进行投影，投影线会覆盖被测物体的表面，从而随着被测物体表面轮廓发生形变。图像采集设备采集到的图像信息输入到计算机中进行处理。图像采集设备正对被测物体，对在旋转平面上旋转的被测物体的表面进行图像采集，记录标定时刻投影在参考平面上的标定图像，以及测量时刻投影在被测物体表面的测量图像。

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