CN106651962A - 一种基于投影仪‑相机系统的自适应光补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于投影仪‑相机系统的自适应光补偿方法，包括：)将投影仪和相机放置在幕布的同侧，并且为非同轴配置，幕布即作为参考平面；生成正弦光栅条纹作为参考条纹通过投影仪投射在三维物体表面，参考条纹受到深度的调制会发生条纹畸变，通过CCD相机获取参考光栅条纹和畸变光栅条纹；推导出物体深度和条纹相位变化的关系；利用傅里叶变换在频域中提取畸变光栅和参考光栅的基频分量，再利用傅里叶逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到折叠在‑π到π区间的相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位变成在空间中连续分布的解压相位；将解压相位代入相位和深度的转换公式中，得到每一个像素点的深度；将相机采集的图像进行处理。

Description

一种基于投影仪-相机系统的自适应光补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于投影仪-相机系统的自适应光补偿方法，属于自适应光学领域；

背景技术

机器视觉在质量检测，过程控制，三维重构等方面，扮演着越来越重要的角色。一个典型的机器视觉系统包括图像捕捉、光源系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块，其中的关键技术是对获取的图像进行相应的分析和处理，所以图像的质量直接决定着机器视觉决策的准确性，而获取图像的质量又取决于图像采集设备和照明设备。

但是，由于电荷耦合器件和数模转换的限制，大部分相机都有一个有限的8-bit采集范围。当被测的场景有高反射率和低反射率的不同部分时，采集得到的图像只有8-bit的像素信息，如果增加曝光使得低反射率的部分清晰，而高反射率的部分则变得饱和；反之，如果减少曝光使得高反射率的部分清晰，而低反射率的部分则变得黑暗，因此对于高反射率或者低反射率的部分会出现极亮或极暗的区域，造成细节信息的丢失，对后续的决策和执行造成极其不利的影响。基于此，自适应光补偿技术在机器视觉的应用中显得尤为重要。

发明内容

本发明旨在解决在机器视觉中对于高对比度的场景采集出现极亮或极暗区域，而造成细节信息丢失的情况，提出一种基于投影仪-相机系统的自适应光补偿方法。本发明的技术方案如下：

一种基于投影仪-相机系统的自适应光补偿方法，包括下列步骤：

(1)将投影仪和相机放置在幕布的同侧，并且为非同轴配置，幕布即作为参考平面；

(2)计算机生成的正弦光栅条纹作为参考条纹通过投影仪投射在三维物体表面，参考条纹受到深度的调制会发生条纹畸变，通过CCD相机获取参考光栅条纹和畸变光栅条纹；

(3)结合傅里叶轮廓法，利用三角形相似原理推导出物体深度和条纹相位变化的关系；

(4)利用傅里叶变换在频域中提取畸变光栅和参考光栅的基频分量，再利用傅里叶逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到折叠在-π到π区间的相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位变成在空间中连续分布的解压相位；

(5)将解压相位代入相位和深度的转换公式中，得到每一个像素点的深度，即建立投影仪和相机之间的通信，作为后续迭代算法的参数；

(6)将相机采集的图像作为处理前的图像，通过迭代算法将处理后的图像用投影仪投射以覆盖在三维物体表面，以突出需要的部分，遮蔽不需要的部分；

(7)将步骤(6)重复执行多次，直到CCD相机获取的图像消除饱和部分，补偿黑暗部分，恢复丢失的细节信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1>解决了采集高对比度场景时细节信息丢失的弊端，避免了外界光源对机器视觉决策和分析造成的不利影响；

2>本发明强调了投影仪在投影仪-相机系统中的补偿作用，突出需要的部分，遮盖不需要的部分，比现有的软件补偿处理速度快，在解决相机范围限制的前提下更适用于工业生产；

4>光源的自适应补偿装置只是在机器视觉的器件中添加数字投影仪，可满足低成本系统构建的要求。

附图说明

图1(a)和(b)分别为参考光栅图形和畸变光栅图形。

图2(a)和(b)分别为不连续分布的折叠相位和连续分布的解压相位。

图3本发明中利用傅里叶轮廓法得到的深度轮廓图。

图4(a)和(b)为本发明在强照明下的饱和图像和利用自适应光补偿方法的补偿结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明；

本发明的自适应光补偿中，投影仪和相机采用非同轴配置，并且为了后续计算的方便，将投影仪和相机放置在同一水平线上。投影仪和相机之间的距离为d，投影仪到参考平面的距离为L，观测点O的深度为h。利用三角形相似原理，有

代表相位的变化，有

将式(2)代入式(1)中，得到

图1所示为本发明中的参考光栅图形和畸变光栅图形。将计算机生成的正弦光栅条纹，如图1(a)所示，通过投影仪投射在三维物体表面，参考条纹受到物体深度的调制会发生条纹畸变，如图1(b)所示，通过CCD相机获取参考光栅条纹和畸变光栅条纹。

图2所示为本发明中不连续分布的折叠相位和连续分布的解压相位。参考光栅经过傅里叶变换在频域中提取出基频分量，再经过傅里叶逆变换将基频转换回时域，得到对畸变光栅进行同样的操作，得到则折叠相位为

其中，为的共轭。由于反正切运算，相位被折叠在[-π,π]区间，折叠相位分布不连续，如图2(a)所示。利用相位解压算法，得到连续分布的解压相位，如图2(b)所示。

图3所示为本发明中利用傅里叶轮廓法得到的深度轮廓图，即投影仪像素和相机像素建立通信的过程。由于投影仪和相机建立的通信意味着投影仪上的每一点都映射到相机的对应点，因此通信是建立在三维物体深度的基础上。

图4所示为本发明在强照明下的饱和图像和利用自适应光补偿方法的补偿结果图。在强照明条件下，高反射率区域超过相机的采集范围而呈现出高亮状态，丢失细节信息，如图4(a)所示。利用迭代算法

I_n+1(x,y)＝I_n(x,y)+h(x,y)(L_n(x,y)-p_n(x,y)) (5)

其中，I(x,y)为CCD相机采集物体表面的图像，L(x,y)为投影仪投射在物体表面的图像，h(x,y)为在坐标(x,y)处的物体深度。经过连续的迭代，直到相机获取的图像达到要求，如图4(b)所示。

Claims (1)

1.一种基于投影仪-相机系统的自适应光补偿方法，包括下列步骤：

(1)将投影仪和相机放置在幕布的同侧，并且为非同轴配置，幕布即作为参考平面。

(2)计算机生成的正弦光栅条纹作为参考条纹通过投影仪投射在三维物体表面，参考条纹受到深度的调制会发生条纹畸变，通过CCD相机获取参考光栅条纹和畸变光栅条纹；

(3)结合傅里叶轮廓法，利用三角形相似原理推导出物体深度和条纹相位变化的关系；

(4)利用傅里叶变换在频域中提取畸变光栅和参考光栅的基频分量，再利用傅里叶逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到折叠在-π到π区间的相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位变成在空间中连续分布的解压相位；

(5)将解压相位代入相位和深度的转换公式中，得到每一个像素点的深度，即建立投影仪和相机之间的通信，作为后续迭代算法的参数；

(6)将相机采集的图像作为处理前的图像，通过迭代算法将处理后的图像用投影仪投射以覆盖在三维物体表面，以突出需要的部分，遮蔽不需要的部分；

(7)将步骤(6)重复执行多次，直到CCD相机获取的图像消除饱和部分，补偿黑暗部分，恢复丢失的细节信息。