CN105937887B - 基于三值化三色交叉网格条纹的三维面形测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像处理和精密测量技术领域，具体为一种基于三值化三色交叉网格条纹的三维面形测量方法。本发明用液晶屏幕生成一幅三值化三色交叉网格条纹图样，此图样由红绿蓝三幅单色网格条纹图像叠加而成，每两幅单色条纹在横向和纵向存在固定的相移量，总相移量为一个条纹宽度，用摄像装置记录下被测镜面反射后的图样变化，并将各像素的三色灰度值进行三色化校正；利用相位计算公式和时间相位展开方法得到绝对相位,根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维形状。本发明通过增加条纹信号的维度，仅需一张图像就可重构被测面形，便于动态测量，提高了相位偏折测量技术的抗干扰能力和测量速度，克服了传统正弦条纹对环境干扰光极为敏感、易受干扰等缺点。本方法可广泛应用于光电装备、航空航天等领域。
Description
技术领域
本发明属于图像处理和光学测量技术领域，具体涉及一种实现高反射面三维面形动态测量的相位测量偏折术。
背景技术
相位测量偏折术(Phase Measurement Deflectometry, PMD)是一种新兴的三维面形测量技术，主要应用于镜面及类镜面的高精度测量，具有成本低、光路简单、精度高的特点。PMD一般采用电子屏幕产生沿横向和纵向的正弦条纹图样序列，经被测表面反射后发生畸变，通过分析照相机获取的畸变图像，结合对测量系统的标定结果，重构出被测表面的三维面形。然而，PMD具有以下缺点：1、电子投影屏幕和相机的亮度相应存在非线性误差，导致从正弦条纹解得的相位发生偏差；2、正弦条纹灰度变化是缓变的，即在垂直条纹方向上每个像素之间灰度存在微小的变化，这就使得照相机捕捉到的条纹灰度极易受到环境光的干扰，由于变化的灰度携带相位信息，一旦灰度被干扰将引起相位混乱；3、目前的显示设备投影高动态范围的灰度图案还存在帧率较低的问题，因此PMD扫描速度受到限制；4、PMD需要计算横向和纵向两个方向的截断相位，常规的四步相移相位测量原理，对于同一个待测面至少需要8张照片，这极大地限制了PMD的动态测量应用。
研究者对传统的PMD进行了改进，论文“Huang L, Ng CS andAsundi AK (2011).Dynamic three-dimensional sensing for specular surface with monoscopic fringereflectometry. Optics Express, 19(13), 12809–12814”介绍了多频相移技术，显示器投影的是二维的横纵交叠正弦条纹，通过傅立叶变换再滤波的手段得到横纵两个方向的畸变条纹，虽然提高了计算量，但是显著减少了测量过程的时间。
Guo等提出移动投影设备的测量方法（Guo H, Feng P and Tao T (2010).Specular surface measurement by using least squares light tracking technique.Optics and Lasers in Engineering, 48(2), 166–171），将投影显示器安装在垂直于显示器的精密导轨上，在导轨的不同位置进行投影，这种方法由于能够确定表面点的空间坐标（而非传统PMD必须要两个方向确定面形梯度），因此只需要一个方向的投影条纹就可以进行三维重构，这种方案在计算复杂度方面有优势，但需要更多的测量时间。
Butel等提出了一种二值化的相位测量偏折术和标定方法（Butel GP, Smith GAand Burge JH (2014). Binary pattern deflectometry. Applied Optics, 53(5),923–930），利用黑白二值化条纹作为显示器投影图样，二值化条纹的一个最大的优点在于信噪比极高，基本可以认为环境光是无法对二值化条纹产生干扰的。此外在条纹二值化的条件下，灰度和对应位置的标定可以准确到像素级。在二值化条纹的基础上，Li 等提出了利用二值化正交网格条纹的快速相位测量方法（Li B, Ma S and Zhai Y (2015). Fasttemporal phase unwrapping method for the fringe reflection technique based onthe orthogonal grid fringes. Appl Opt, 54(20), 6282–6290），在保留二值化条纹优点的基础上，正交网格的思想类同于上文中Huang 等提出的方案，缩短了一半的条纹的采集时间，但依然需要采集多幅相移图样进行相位计算，难以用于对实时性要求极高的动态测量场合。
发明内容
本发明旨在克服PMD以及PMD衍生技术实时性较差的缺点，提供一种精度高、适用于实时动态测量的PMD三维面形测量方法。
本发明提供的适用于实时动态测量的PMD三维面形测量方法，是在二值化正交网格条纹的基础上，引入红绿蓝三色，提供一种三值化三色交叉网格条纹，只用一幅图样即可实现面形的三维重构，实现高反射自由曲面的PMD动态测量。具体步骤如下：
（1）使用液晶屏幕生成一幅三值化三色交叉网格条纹图样，条纹特征如下：
（a）使用红绿蓝三色分别产生条纹，每种颜色在横纵两方向分别是二值化条纹，相交得到单色的三值化网格条纹，具有三个亮度等级，分别为投影设备最高亮度的100%、50%与0%；
（b）把三种颜色的单色三值化网格条纹各自产生一定错位，然后进行叠加，得到彩色网格条纹；这里所述的“一定错位”指的是单色条纹宽度的1/3，三个颜色的总相移量为一个条纹宽度；
（c）根据相机镜头分辨率以及物像之间的放大关系确定不同颜色条纹之间的错位。具体为：设液晶屏幕上两个像素为白色，最亮，其他像素设为黑色，最暗，从远到近调整两个亮点之间的距离，直至相机采集的图像满足道威判据，即图像对比度为2.6%为止；此时两个屏幕上两个亮点之间的距离即为不同颜色条纹之间的横向错位；
（2）液晶屏幕生成的条纹图像经被测物体反射后的发生畸变，利用对焦的相机进行采集；对采集到的测量图像，根据每种颜色的实际灰度进行校正处理，还原成红绿蓝三色的三值化网格条纹，假设屏幕各颜色亮度都处于0到255之间，对像素点(i, j)红绿蓝三色中某一颜色灰度h(i, j)的校正可以简单进行阈值处理：
（3）将灰度经过校正的彩色网格条纹分为三个单色图像。根据反射图像的畸变在横纵两个方向上分别使用相位测量偏折术的包裹相位计算公式，然后根据相位解包裹方法得到绝对相位。具体方法请参考已有技术:Li B, Ma S and Zhai Y (2015). Fasttemporal phase unwrapping method for the fringe reflection technique based onthe orthogonal grid fringes. Appl Opt, 54(20), 6282–6290；
（4）最后根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维形状。具体方法请参考已有技术:Balzer J and Werling S (2010). Principles of shape from specularreflection. Measurement, 43,1305-1317。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
由于本发明采用三值化三色交叉网格条纹图案，在融合而成的彩色网格中，任意色块与其相邻的8个色块至少有一种颜色灰度存在明显差异，是总灰度变化范围的一半。显然这种差异超过了外界干扰光、投影显示器灰度非线性误差及强度不均、被测表面不同区域反射率差异等因素引起的采集图像灰度误差。因此即使是在外界干扰严重的条件下，仍然可以建立正确的物像位置对应关系，以利于进一步的相位计算。由于镜头的像差以及衍射等原因，不同色块的成像边缘处一般是模糊的，在边缘处附近的像素灰度会产生显著变化。在被测曲面是平缓光滑变化的情况下，相邻像素的法向是接近的，条纹宽度引起的采样密度限制在镜头的测量分辨率之内，且三值化阈值操作具有一定的锐化效应，所以仍能达到很高的精度。而且本方法只采用一幅高维图像就可以求解反射图像相位畸变，不需要分别投影多幅条纹图像，所以对环境振动不敏感，适用于实时动态测量。
本发明通过增加条纹信号的维度，仅需一张图像就可重构被测面形，便于动态测量，提高了PMD测量技术的抗干扰能力和测量速度。而三值化条纹相邻色块之间至少有一种颜色灰度存在显著差异，克服了传统正弦条纹对环境杂散光极为敏感、易受干扰，且对投影的方向均匀性和成像的响应线性度要求极高的缺点。本测量方法可广泛应用于光电装备、航空航天、医疗健康等领域。
附图说明
图1-图4为.三色三值化交叉条纹示意图。其中：
图1为在3次相移的条件下，本发明投影的彩色网格条纹。
图2为组成彩色网格条纹的红色三值化条纹成分。
图3为彩色网格条纹的绿色三值化条纹成分，与图2存在一定错位量。
图4为彩色网格条纹的蓝色三值化条纹成分，与图3存在一定错位量。
具体实施方式
采用的装置有1台高分辨液晶显示器和一台高分辨相机，前端放置一个消色差物镜将投影条纹经被测表面反射后成像在相机CCD处。显示器可以显示红绿蓝三色，每种颜色的亮度可以在0到255之间调整。由计算机生成显示条纹，控制投影和采集的过程，并对采集图像进行计算，实现待测面形的三维重构。
本实例的具体实施步骤如下：
1. 对显示器和照相机进行调焦，使其准确对焦。
2. 对显示器、照相机、待测面之间的相对空间位置、显示器的投影均匀性，以及照相机的成像畸变与相应线性度进行标定。
3. 生成如图1所示的彩色网格条纹。由计算机编码生成横纵两个方向的红色二值化条纹，亮条纹部分灰度为127，暗条纹部分灰度为0。投影将两个方向的条纹图样交叠，生成如图2所示的红色三值化交叉网格条纹。绿色和蓝色三值化交叉网格条纹以同样方式生成，绿色条纹在横纵两个方向上进行相对于红色的1/3周期的相移，如图3所示。蓝色条纹在横纵两个方向上进行相对于绿色的1/3周期的相移，如图4所示。生成的红绿蓝三幅单色的三值化网格条纹进行叠加，得到生成如图1所示的彩色网格条纹。
4. 不同颜色条纹之间的错位根据相机镜头分辨率及图像采集设备的像素大小确定。具体为：液晶平面上两个像素设为白色最亮，其他像素设为黑色最暗。从远到近调整两个亮点之间的距离，直至相机采集的图像满足道威判据，即图像对比度为2.6%为止。此时两个屏幕上两个亮点之间的距离记为不同颜色条纹之间的横向错位。
5. 采集经过待测面形反射的畸变彩色网格状条纹。由于其彩色网格条纹的每一个色块和与之相邻的8个色块之间，在红绿蓝三基色中至少有一种是不同的。将成像得到的彩色图像每个颜色的灰度进行三值化校正。若像素(i, j)某一颜色灰度值为h(i, j)则校正后灰度：
因此，可以容易地将畸变的彩色网格条纹分离、解构成红绿蓝3幅横向畸变条纹和红绿蓝3幅纵向畸变条纹，共计6幅畸变的条纹图样序列。对于得到的条纹图样序列的相位计算，可由“Li B, Ma S andZhai Y (2015). Fast temporal phase unwrapping methodfor the fringe reflection technique based on the orthogonal grid fringes.Appl Opt, 54(20), 6282–6290”所报道的伪相移策略（pseudo-phase-shift strategy）快速得出，其策略的核心是一种近似思想，即得到的二值化条纹与投影的二值化条纹相比，变化越小，相位变化则越平缓，线性的比照二值化条纹的变化量可以直接得出一个展开的相位结果，而精度是由二值化条纹的粗细决定的。
6. 根据物像对应关系、标定得到的屏幕、像点以及被测面之间的相对位置，以及相位计算结果，可以根据反射定律得到被测表面的法向。于是表面的重构就变成一个积分方程的优化问题，式中为待求面形的法向。将非凸的优化问题转化为一系列局部凸问题，而对每个子问题都采用Levenberg-Marquadt算法进行局部优化，于是可以保证解的全局收敛，实现高精度面形重构。
上述为本发明具体实施方式在特定条件下的结果，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于三值化三色交叉网格条纹的三维面形测量方法，其特征在于具体步骤为：
（1）使用液晶屏幕生成一幅三值化三色交叉网格条纹图样，条纹特征如下：
（a）使用红绿蓝三色分别产生条纹，每种颜色在横纵两方向分别是二值化条纹，相交得到单色的三值化网格条纹，具有三个亮度等级，分别为投影设备最高亮度的100%、50%与0%；
（b）把三种颜色的单色三值化网格条纹各自产生一定错位，然后进行叠加，得到彩色网格条纹；这里所述的“一定错位”指的是单色条纹宽度的1/3，三个颜色的总相移量为一个条纹宽度；
（c）根据相机镜头分辨率以及物像之间的放大关系确定不同颜色条纹之间的错位；其做法为：设液晶平面上两个像素为白色，最亮，其他像素设为黑色，最暗，从远到近调整两个亮点之间的距离，直至相机采集的图像满足道威判据，即图像对比度为2.6%为止；此时屏幕上两个亮点之间的距离即为不同颜色条纹之间的横向错位；
（2）液晶屏幕生成的条纹图像经被测物体反射后发生畸变，利用对焦的相机进行采集；对采集到的测量图像，根据每种颜色的实际灰度进行校正处理，还原成红绿蓝三色的畸变三值化网格条纹，假设在像素点(i, j)红绿蓝三色中某一颜色灰度h(i, j)处于0到255之间，颜色校正可以简单进行阈值处理：
（3）将灰度经过校正的彩色网格条纹分为三个单色图像，根据反射图像的畸变在横纵两个方向上分别使用相位测量偏折术的包裹相位计算公式，然后根据相位解包裹方法得到绝对相位；
（4） 最后根据相位和系统标定参数确定被测物体表面的三维形状。
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