CN105674912A - 结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种结合达曼光栅的多光刀法和颜色标定的物体彩色三维形貌获取方法与装置，包括：光投影模块、扫描模块、CCD摄像机与控制处理模块。本发明通过二维达曼光栅扩束产生RGB三原色线激光阵列，标定完成后由三角法进行物体形貌的测量，并通过标准色卡实现彩色CCD对于三基色的响应曲线的标定，从而获得被测物体表面的彩色纹理信息，生成物体XYZ：RGB的形貌及颜色描述子，获得物体的彩色三维形貌，实现彩色三维物体的重建，具有测量简单、测量速度快、实用范围广等优势。

Description

结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置和方法

技术领域

本发明涉及三维形貌及颜色测量领域，具体地说是涉及一种结合达曼光栅的分析和测量物体三维形貌与颜色的装置与方法。

背景技术

随着社会的进步，对高分辨率的颜色和轮廓数据的需求变得十分强烈。在生产生活中，对三维物体的颜色及形貌信息的评价变得十分普遍。例如在计算机中建造实际物体的虚拟模型以进行一些数据的检验和分析。常见的视觉测量技术主要包括：结构光法、立体视觉法、莫尔条纹方法等。而在颜色渲染技术上也有相关的研究。

专利CN1301480C描述了一种利用普通光扫描和激光相结合的复合式三维彩色扫描的技术。其利用三角测距原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，从而得到更加详细的坐标数据。在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的彩色信息，得到被扫描物体的三维纹理贴图，两者结合，便形成初步的三维彩色模型。该方法计算数据量巨大，并且需要事先对物体的形貌有一定的认识。

美国Arius3D公司参考NationalResearchCouncilofCanada在专利US005708498A提出的方案，采用一束含有多组分波长的复色光束投射到物体上，反射光分为两束。一束由传感器阵列接受来确定其相对位置；另一束由分光棱镜分为不同组分波长的光束由一个光敏传感器件线性阵列来接收。这样便同时获得物体的轮廓信息和颜色信息。该方法是真实的彩色扫描，但由于其采用的是点扫描，因此扫描效率很低，并且对环境稳定性要求很高。

加拿大Inspect公司采用相位光栅的方法来获得物体的三维形貌然后拍摄二维相片来进行三维物体的纹理贴图，这种方法的颜色渲染精度不容易控制，并且容易发生贴图变形。

周常河等人给出了从2到64点阵的达曼光栅解[参见在先技术：C.H.ZhouandL.R.Liu,“NumericalStudyofDammannArrayIlluminators”,Appl.Opt.,1995,34(26):5961～5969]，专利CN101451826C同样提出了利用达曼光栅扩束从而通过傅立叶变换轮廓术来获取物体三维形貌的方法，但是其操作复杂，且对标定精度要求较高，难以实现快速精确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置与方法，用于物体三维形貌及表面颜色的测量。该方法简单易行，不需借助分光谱元件，并且精度较高,可以实现快速高精度的三维物体彩色形貌测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置，包括：光投影模块、CCD相机、步进电机、以及分别与所述的光投影模块、CCD相机、步进电机相连的控制处理模块；

所述的光投影模块包括红绿蓝三色激光光源、该激光光源的上下二路出射光束分别依次经快门、反射镜至合色棱镜，该激光光源的中路出射光束经中路快门至合色棱镜，该合色棱镜将三路光束整合为一束出射，并通过光阑入射至达曼光栅，经该达曼光栅扩展为激光点阵，并在柱透镜的作用下沿一个方向展开为线激光阵列，对放置在基准平面上的待测物体均匀扫描，该基准平面与步进电机相连；

所述的CCD相机负责采集红绿蓝三种照明状态下待测物体的数字图像；

所述的控制处理模块控制红绿蓝三色光源与CCD相机的开闭，并储存CCD相机采集的图像。

所述的红绿蓝三色激光光源为波长稳定的激光。

利用所述的结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置置进行物体表面颜色测量的方法，该方法包括实测前先利用色品坐标已知的标准色卡对系统进行标定阶段以及实测阶段；

所述的标定阶段，具体步骤如下：

①移除达曼光栅，将标准色卡放置在基准平面上；

②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，当红/绿/蓝色激光光源照明标准色卡时，CCD相机采集对应的红/绿/蓝色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；

③标准色卡包含颜色的色品坐标均已知，标准色卡中某种颜色在红绿蓝三色光照明下的所采集的图像亮度分别为I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)，建立起该颜色色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与其红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的对应关系；

④多次重复上述步骤②和步骤③，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度之间的对应关系，利用该数据建立起两者之间的函数关系；

所述的实测时，具体步骤如下：

①将达曼光栅移至光阑和柱透镜之间；

②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，照明待测物体，控制处理模块控制步进电机以一定的速率旋转使线激光阵列能完整扫描整个待测物体，CCD相机采集相应的红/绿/蓝光照明下待测物体的数字图像，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；

③根据采集的红/绿/蓝数字图像计算待测物体的三维坐标x,y,z，依据需测量区域中某像素红绿蓝亮度值I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)，通过色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的函数关系检索出该像素色品坐标，建立{x,y,z:R,G,B}的点云存储，得到物体的彩色三维信息。

与现有技术相比，本发明具有操作简单、标定容易、可以在精确获得物体表面三维形貌的同时快速的获取物体表面纹理色彩信息的优势。

附图说明

图1是本发明结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置的结构示意图。

图2是基于激光光源的光投影模块内部基本构造。

图3是线激光扫描中三角法原理示意图。

图4是实测与标定过程流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置包含一个光投影模块1，可以实现待测物体4物体表面不同波长的线激光投影；CCD相机2用于在各种扫描条件下进行图像信息的收集，并由控制处理模块3存储处理，并实现测量区域的颜色比对和物体三维坐标数据的计算存储。

光投影模块包含红绿蓝三色激光光源、快门、反射镜、合色棱镜、达曼光栅、柱透镜等器件，可对待测物体进行红绿蓝三色线激光扫描。控制处理模块用于控制激光的强度、快门的闭合、步进电机的转动速度以及CCD相机采集数据的存储处理与标定数据的存储。控制处理模块可以包含任何用于确定待测物体三维形貌及颜色的任何硬件、软件、固件或其组合。

本发明具体步骤如下：光投影模块采用红色激光阵列对物体进行扫描，与此同时CCD相机采集待测物体图像，关闭红光光源对应快门；保持光投影模块、待测物体与数码相机相对位置不变，进行绿色光刀扫描并采集存储待测物体相同位置的数字图像，关闭绿光光源对应快门；保持光投影模块、待测物体与数码相机相对位置不变，进行蓝色光刀扫描并采集存储待测物体图像，关闭蓝光光源快门。控制处理模块储存上述扫描图像，利用三角原理计算出对应的点的世界坐标x,y,z并将需要测量区域中各像素的红绿蓝亮度值I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)与预先色品坐标已知的标准色卡的标定结果进行分析比对，最终得出需要测量区域各像素的世界坐标及色品坐标。

如图1，图2所示，激光照射达曼光栅21会在一定距离上产生等光强的光点阵列，通过柱透镜22在一个方向上展开可以生成光强近似一致的线阵列，从而可实现待测物体表面多光刀的投影。

如图2所示，光投影模块1选用激光光源。红绿蓝三色激光器的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm，分别以11、12、13标识，14、15、16分别为对应红绿蓝三色激光的快门系统，17、18分别为对应红色激光和蓝色激光的反射镜。快门14、15、16由控制处理模块控制，从而实现不同时间不同波长激光的照明。三色激光经过相应的反射镜，经合色棱镜19和光阑20并经过达曼光栅21和柱透镜22最终在待测物体4表面投影强度均匀的线激光。

达曼光栅是一种简易方便的二元光学器件，如图4所示，利用达曼光栅和柱透镜可以方便的生成多列线激光。

如图3所示，线激光扫描是基于三角法的一种非接触式主动光测量法，将较窄的线激光投影至物体表面，由于待测物体的表面深度不同会引起线激光的形变，由已标定的相机、激光器以及标准平面的关系，利用三角法的下列公式可以计算物体三维形貌：

$Z=\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{{\mathrm{bsin\θ}}_2-x^{\′}{\mathrm{cos\θ}}_2}$

其中a为CCD镜头焦距，b为CCD镜头透镜据参考平面的距离，x′为被测点在CCD图像上距图像中心的距离。

颜色匹配实验证明，任何一个颜色可以用线性无关的三个原色以适当的比例相加混合与之匹配。用方程表示为是匹配颜色C所需要的三原色刺激量。式中(R)(G)(B)为三原色的单位量，分别为1.000、4.5907、0.0601；C(λ)在数值上表示等能光谱色的相对亮度。经过变换后，方程可改写为其中 $r=\frac{\stackrel{\‾}{r}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}},g=\frac{\stackrel{\‾}{g}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}},b=\frac{\stackrel{\‾}{b}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}}$ 称为颜色C的色品坐标。用国际照明委员会(CIE)综合实验结果选定700nm(红)、546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)作为三原色。物体的颜色是其对不同的波长的光波具有不同的吸收特性的结果。采用不同光源照明同一物体时，针对光源光谱能量分布的不同物体将呈现出不同的颜色。

如图4所示，实测前先利用已知CIEXYZ系统色品坐标的标准色卡对系统进行标定工作，建立已知色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与标准色卡红绿蓝三幅图像的亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的关系。具体步骤如下：

①移除达曼光栅，将标准色卡放置在基准平面23上；

②开启光投影模块红色激光光源快门，照明标准色卡，CCD相机采集红色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭光投影模块红色激光光源快门；

③开启光投影模块绿色激光光源快门，照明标准色卡，CCD相机采集绿色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭绿光光源快门；

④开启光投影模块用蓝色激光快门，照明标准色卡，CCD相机采集蓝色激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭蓝光光源快门；

⑤标准色卡包含颜色的色品坐标均已知。标准色卡中某种颜色在红绿蓝三色光照明下的所采集的图像亮度分别为I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)，建立起该颜色色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与其红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的一一对应关系；

⑥多次重复上述步骤，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度之间的对应关系，利用该数据建立起两者之间的函数关系。

如图4所示，实测阶段通过控制相应颜色激光光源对应快门的开闭，并通过控制步进电机，实现不同颜色激光阵列对物体的扫描，通过三角法计算物体世界坐标并构建(x,y,z:S(r),S(g),S(b))，即坐标对应不同颜色灰度值的存储结构，通过对标定色品坐标的查找，即得到物体的三维彩色信息(x,y,z:R,G,B)；

实测时，具体步骤如下：

①将达曼光栅移至光阑20和柱透镜22之间，并将被测物体放置在基准平面上

②开启光投影模块红色光源对应快门，照明待测物体，控制模块控制步进电机以一定的速率旋转使激光光刀能完整扫描整个物体，CCD相机采集红光照明下待测物体的数字图像，关闭红光光源对应快门；

③开启光投影模块绿色光源对应快门，照明待测物体，控制模块控制步进电机以一定的速率旋转使激光光刀能完整扫描整个物体，CCD相机采集绿光照明下待测物体的数字图像，关闭绿光光源对应快门；

④开启光投影模块蓝色光源对应快门，照明待测物体，控制模块控制步进电机以一定的速率旋转使激光光刀能完整扫描整个物体，CCD相机采集蓝光照明下待测物体的数字图像，关闭蓝光光源对应快门；

⑤根据三角法由三色激光采集数据计算物体的三维坐标x,y,z，并依据需测量区域中某像素红绿蓝亮度值为I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)，通过色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的函数关系检索出该像素色品坐标，建立{x,y,z:R,G,B}的点云存储，即得到物体的彩色三维信息。

本发明由于达曼光栅的作用在于将光源的光强等分成多份，可以轻易实现多光刀扫描。在提高扫描效率的同时具有光刀扫描法的精度。本发明在彩色纹理获取上具有标定容易、获取快速等优点，与条纹投影方法和点扫描方法相比，通过多光刀扫描，可以实现很高的测量精度和空间分辨率。本发明有望在三维工件的立体数字化建模，彩色人脸建模识别等方面具有广泛应用价值。

Claims (3)

1.一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置，其特征在于，包括：光投影模块(1)、CCD相机(2)、步进电机、以及分别与所述的光投影模块(1)、CCD相机(2)、步进电机相连的控制处理模块(3)；

所述的光投影模块(1)包括红绿蓝三色激光光源(11、12、13)、该激光光源的上下二路出射光束分别依次经快门、反射镜至合色棱镜(19)，该激光光源的中路出射光束经中路快门(15)至合色棱镜(19)，该合色棱镜(19)将三路光束整合为一束出射，并通过光阑(20)入射至达曼光栅(21)，经该达曼光栅(21)扩展为激光点阵，并在柱透镜(22)的作用下沿一个方向展开为线激光阵列，对放置在基准平面(23)上的待测物体(4)均匀扫描，该基准平面(23)与步进电机相连；

所述的CCD相机(2)负责采集红绿蓝三种照明状态下待测物体(4)的数字图像；

所述的控制处理模块(3)控制红绿蓝三色光源与CCD相机(2)的开闭，并储存CCD相机(2)采集的图像。

2.根据权利要求1所述的结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置，其特征在于所述的红绿蓝三色激光光源(11、12、13)为波长稳定的激光。

3.利用权利要求1所述的结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置置进行物体表面颜色测量的方法，其特征在于，该方法包括实测前先利用色品坐标已知的标准色卡对系统进行标定阶段以及实测阶段；

所述的标定阶段，具体步骤如下：

①移除达曼光栅，将标准色卡放置在基准平面(23)上；

②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，当红/绿/蓝色激光光源照明标准色卡时，CCD相机采集对应的红/绿/蓝色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；

③标准色卡包含颜色的色品坐标均已知，标准色卡中某种颜色在红绿蓝三色光照明下的所采集的图像亮度分别为I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)，建立起该颜色色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与其红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的对应关系；

④多次重复上述步骤②和步骤③，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度之间的对应关系，利用该数据建立起两者之间的一一对应关系；

所述的实测时，具体步骤如下：

①将达曼光栅移至光阑(20)和柱透镜(22)之间；

②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，照明待测物体，控制处理模块(3)控制步进电机以一定的速率旋转使线激光阵列能完整扫描整个待测物体，CCD相机采集相应的红/绿/蓝光照明下待测物体的数字图像，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；

③根据采集的红/绿/蓝数字图像计算待测物体的三维坐标x,y,z，依据需测量区域中某像素红绿蓝亮度值I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)，通过色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的函数关系检索出该像素色品坐标，建立{x,y,z:R,G,B}的点云存储，得到物体的彩色三维信息。