CN106705855B - 一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法 - Google Patents

一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，包括：设定图像的饱和阈值；对于待测量的物体投影全白图像并用相机采集图像，改变投影图像的灰度生成合适的光栅使相机图像不存在饱和；投影经过初次调节的光栅并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位，利用相位完成过亮区域的相机图像坐标及投影光栅图像坐标的匹配；投影图像并用相机采集图像，基于坐标匹配结果逐像素调节投影图像灰度生成最终的自适应光栅图；投影最终生成的光栅图并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位；利用标定好的相机参数和求取的绝对相位，根据空间交汇法计算出被测物体的三维坐标信息。最终实现高动态性能的精确三维测量。

Description

一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法
技术领域
本发明属于三维信息重构的领域，具体涉及一种高动态性能的光栅投影三维测量方法。
背景技术
光学三维测量技术能够快速准确地获取物体的三维数据，可用于三维模型重建、物体表面轮廓测量、工业环境中的尺寸和形位参数的检测等，被广泛应用于逆向工程、工业检测、虚拟现实、文物保护和医疗诊断等领域。
光栅投影三维测量是一种重要的光学三维测量技术，通过向物体表面投射正弦光栅，将物体表面的形状信息调制在光栅之中，利用CCD相机获取物体表面的光栅条纹图像，并使用特定的条纹分析方法对图像进行处理，提取其中的相位信息，从而获取物体的三维信息。
基于DLP(digital light procerssing)投影仪的数字光栅投影技术越来越多地应用于高质量的三维光学测量，但传统的三维测量系统对待测物体有一定限制，要求物体表面有足够的漫反射且不发生镜面反射。高光物体会导致相机饱和，致使最终不能恢复出正确的相位信息和物体三维信息。而自适应的光栅投影系统可以较好地解决这一问题。
自适应的光栅投影系统可以根据物体表面信息反馈准确生成相应的光栅条纹，对于过亮区域，调整与之相对应的投影区域的光栅的强度，使该区域最终都可以处于刚好不过曝的状态，消除由于镜面反射所造成的饱和现象，得到较好的测量结果。
发明内容
发明目的：针对现有技术的问题，本发明目的在于提供一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，通过根据待测物体自适应地生成光栅图像，可以解决由于相机饱和所导致的相位误差和测量误差。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，包括如下步骤：
(1)设定图像的饱和阈值；
(2)对于待测量的物体投影全白图并利用相机采集图像，将图像中像素超过饱和阈值的区域记为过亮区域，改变投影图像的灰度值以消除图像中存在的饱和，利用得到的灰度值生成经过初次调节的光栅；
(3)投影经过初次调节的光栅并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位，利用相位完成过亮区域的相机图像坐标及投影光栅图像坐标的匹配；
(4)投影全白图像并利用相机采集图像，基于过亮区域的坐标匹配结果逐像素调节投影图像的灰度，以消除图像中存在的饱和，利用最终得到的灰度值生成最终的自适应光栅图；
(5)投影最终生成的光栅图并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位；
(6)利用标定好的相机参数和求取的绝对相位，根据空间交汇法计算出被测物体的三维坐标信息。
作为优选，步骤(2)中利用二分法改变投影图像的灰度值以消除图像中存在的饱和。
作为优选，步骤(2)中生成经过初次调节的光栅的方法为：
Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
其中，Ii(u,v)为第i幅光栅图像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)为设计的主值相位，为设计的第i幅光栅图像的相移，IEND为能够消除图像中存在的饱和的灰度值。
作为优选，步骤(3)中利用相位进行相机图像坐标(x,y)及投影光栅图像坐标(u,v)
匹配的公式为：
其中和为像素(x,y)竖直和水平方向的绝对相位，Nv和Nh分别为竖直和水平光栅图像的条纹周期总数，W和H为光栅图像的宽度和高度像素数。
作为优选，步骤(4)中利用二分法逐像素调节投影图像的灰度。
作为优选，步骤(4)中生成最终的自适应光栅图的方法为：
Ii(u,v)＝MEND(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
其中，MEND为逐像素求得的能够消除图像中存在的饱和的灰度值矩阵。
有益效果：本发明有效地解决了高反射率物体的三维测量问题，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1无需附加设备。相比其他某些解决此类问题的技术，本发明只需要传统的光栅投影三维测量系统而不需要添加滤光片等设备。
2方便高效。相比其他采用多重曝光或者多重光栅实现高动态性能测量的方法，本发明的步骤更为简单快捷。得益于二分法的使用，本发明的过程中所需获取图像的数目要远远小于其他方法。
3精确可靠。本发明采用生成自适应光栅的方法，可以精确实现像素级别的调整。二分法的应用避免了可能引入误差的相机响应曲线的计算，同时可以实现快速的光栅准确调整。光栅图片各像素独立地调整，使得不同区域可以同时实现最优的调整。
附图说明：
图1是本发明整个过程的流程图；
图2是二分法调整的流程图；
图3是初次调整光栅强度的过程的相机采集图像变化示例图；
图4是逐像素调整光栅过程的相机采集图像变化示例图；
图5是逐像素调整光栅过程的光栅图强度变化示例图；
图6最终生成的光栅投影在金属工件上后相机采集到的图像；
图7是最终生成的点云图像。
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。在Windows操作系统下选用Visual Studio作为编程工具生成光栅，处理摄像机采集到的变形光栅以及对光栅做出相应的调整。该实例采用一个金属工件作为被测物体，最终得到含有三维信息的比较精确的绝对相位分布，并生成三维数据。
图1是本发明整个过程的流程图。
本发明的测量范围为投影仪的投影区域和摄像机的视野相重叠的部分，当物体表面位于测量范围内时，光栅条纹可以投影到物体上，而投影的条纹图像也可以同时被摄像机拍摄到。主要针对的对象是表面反射率变化较大的物体，由于反射率较大的变化，传统的测量方法不能取得较好的结果。本发明为了解决反射率较大的物体拍摄图像存在高亮饱和的问题，通过获得合适的投影图像灰度以生成合适的光栅使相机图像不存在饱和，灰度值的获取可使用二分查找、插值查找、斐波那契查找、顺序查找等查找算法，这里仅展示二分法。
图2是二分法调整的流程图。由于投影仪图片灰度值是量化，二分法的使用可以较快地找到合适的数值。对于8-bit的投影图片来说，最多8次即可找到合适的值。
本发明实施例公开的一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，具体实施步骤如下：
1设定图像的饱和阈值T(对于8bit相机，图像灰度范围为0-255，保留5-10个灰度值进行计算，可将饱和阈值设为245-250)。
2对于待测量的物体投影全白图并利用相机采集图像，将图像中像素超过饱和阈值的区域记为过亮区域(或称为饱和区域、饱和像素区域)，利用二分法改变投影图像的灰度值以消除图像中存在的饱和，利用得到的灰度值生成经过初次调节的光栅。具体步骤如下：
2.1引入IPro，IMAX＝255，IMIN＝0进行说明,IPro为所投影纯色图的灰度；
2.2利用投影仪投影纯色的灰度图片(初始图片为纯白图，即灰度值IPro＝255)，并利用相机采集图像；
2.3分析采集到的图像的最大灰度值，如果出现饱和像素(初次投影纯白图时，记录过亮区域S)，则将IMAX调整为IPro，将IPro调整为(IPro+IMIN)/2；如果没有饱和像素，则将IMIN调整为IPro，将IPro调整为(IPro+IMAX)/2；
2.4重复步骤1.2-1.3直到IMAX与IMIN相等，即可获得合适的投影灰度值IEND；
2.5利用IEND生成经过初次调节的光栅(分别生成水平光栅和竖直光栅)：
Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
其中，Ii(u,v)为第i幅光栅图像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)
为设计的主值相位，为设计的第i幅光栅图像的相移。
图3展示了初次调整过程。
3投影经过初次调节的光栅并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位，利用相位完成过亮区域的相机图像坐标及投影光栅图像坐标的匹配。具体步骤如下：
3.1投影仪投影经过初次调节的横光栅和纵光栅，利用相机采集对应的图像；
3.2利用采集到的图像，利用相移法公式和格雷码法进行过亮区域S横纵主值相位及绝对相位的求取，其中，四步相移法公式为：
其中，Ii(x,y)为采集的第i幅图像在像素(x,y)位置的灰度值。
格雷码法将主值相位展开如下：
其中k(x,y)为像素(x,y)所处的光栅条纹周期数；
3.3利用绝对相位完成对于过亮区域的投影仪图像和相机图像的坐标匹配：
其中和为像素(x,y)竖直和水平方向的绝对相位，Nv和Nh分别为竖直和水平光栅图像的条纹周期总数，W和H为光栅图像的宽度和高度像素数。
4投影全白图像并利用相机采集图像，利用二分法及坐标匹配结果完成对于所投影图像的逐像素调节，生成最终的自适应光栅图。具体步骤为：
4.1引入M(u,v)，MMAX(u,v)＝255，MMIN(u,v)＝0进行说明，M(u,v)为所投影图像在像素(u,v)位置的灰度；
4.2利用投影仪投影图像M(u,v)(初始图片为纯白图，即灰度值M(u,v)＝255)，并利用相机采集图像；
4.3分析采集到的图像在各像素是否饱和(由于S以外区域在投影最高亮度时仍不饱和，本步骤仅针对S区域内部)，即I(x,y)＞T,如果该像素饱和，则将对应位置(u,v)的MMAX(u,v)调整为M(u,v)，将M(u,v)调整为(MMIN(u,v)+M(u,v))/2；如果该像素不饱和，则将对应位置(u,v)的MMIN(u,v)调整为M(u,v)，将M(u,v)调整为(MMAX(u,v)+M(u,v))/2；
4.4重复步骤4.2-4.3直到MMAX(u,v)与MMIN(u,v)相等，即可获得合适的投影灰度值MEND：
4.5利用MEND生成最终的自适应光栅(S内部像素对应的光栅强度进行了调整，S外部像素对应的光栅强度仍保持初始值，即最大值255)：
Ii(u,v)＝MEND(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
图4展示了投影图像的调整过程。图5展示了对应拍摄图像的改变。
5投影最终生成的光栅图并采集图像，利用相移法和格雷码法求取展开相位。包括：
5.1投影仪投影经过最终生成的自适应光栅，利用相机采集对应的图像；
5.2利用采集到的图像，利用相移法公式和格雷码法进行主值相位及绝对相位的求取，方法与步骤3中计算方法一致。
6利用标定好的相机参数和求取的绝对相位，根据空间交汇法计算出被测物体的三维坐标信息：
其中，(x,y)是相机图像的像素坐标，(u,v)是与之对应的投影仪图像的坐标，
Ac[Rc Tc]是摄像机的内外参矩阵，Ap[Rp Tp]是投影仪的内外参矩阵，(X,Y,Z)为像素(x,y)对应的三维坐标。
图6最终生成的光栅投影在金属工件上后相机采集到的图像；图7是最终生成的点云图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)设定图像的饱和阈值；
(2)对于待测量的物体投影全白图并利用相机采集图像，将图像中像素超过饱和阈值的区域记为过亮区域，改变投影图像的灰度值以消除相机采集图像中存在的饱和，利用得到的灰度值生成经过初次调节的光栅；
(3)投影经过初次调节的光栅并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位，利用相位完成过亮区域的相机图像坐标及投影光栅图像坐标的匹配；
(4)投影全白图像并利用相机采集图像，基于过亮区域的坐标匹配结果逐像素调节投影图像的灰度，以消除相机采集图像中存在的饱和，利用最终得到的灰度值生成最终的自适应光栅图；
(5)投影最终生成的光栅图并采集图像，利用相移法和格雷码法求取绝对相位；
(6)利用标定好的相机参数和求取的绝对相位，根据空间交汇法计算出被测物体的三维坐标信息。
2.根据权利要求1所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(2)中利用二分法改变投影图像的灰度值以消除相机采集图像中存在的饱和。
3.根据权利要求2所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(2)中，利用二分法改变投影图像的灰度值的具体步骤为：
a)引入IPro＝255，IMAX＝255，IMIN＝0进行说明，IPro为投影纯色图的灰度值；
b)利用投影仪投影纯色的灰度图片，并利用相机采集图像；
c)分析采集到的图像的最大灰度值，如果大于饱和阈值，则将IMAX调整为IPro，将IPro调整为(IPro+IMIN)/2；否则，将IMIN调整为IPro，将IPro调整为(IPro+IMAX)/2；
d)重复步骤b-c直到IMAX与IMIN相等，即可获得合适的投影灰度值。
4.根据权利要求1所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(2)中生成经过初次调节的光栅的方法为：
Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
其中，Ii(u,v)为第i幅光栅图像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)为设计的主值相位，为设计的第i幅光栅图像的相移，IEND为能够消除相机采集图像中存在的饱和的灰度值。
5.根据权利要求1所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(3)中利用相位进行相机图像坐标(x,y)及投影光栅图像坐标(u,v)匹配的公式为：
其中和为像素(x,y)竖直和水平方向的绝对相位，Nv和Nh分别为竖直和水平光栅图像的条纹周期总数，W和H为光栅图像的宽度和高度像素数。
6.根据权利要求1所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(4)中利用二分法逐像素调节投影图像的灰度。
7.根据权利要求6所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(4)中利用二分法逐像素调节投影图像的灰度的具体步骤为：
a)引入M(u,v)＝255，MMAX(u,v)＝255，MMIN(u,v)＝IEND进行说明，M(u,v)为所投影图像在像素(u,v)位置的灰度值，IEND为步骤(2)中得到的能够消除相机采集图像中存在的饱和的灰度值；
b)利用投影仪投影图像，并利用相机采集图像；
c)分析采集到的图像在过亮区域各像素是否饱和，如果像素灰度值大于饱和阈值，则将对应位置(u,v)的MMAX(u,v)调整为M(u,v)，将M(u,v)调整为(MMIN(u,v)+M(u,v))/2；否则，将对应位置(u,v)的MMIN(u,v)调整为M(u,v)，将M(u,v)调整为(MMAX(u,v)+M(u,v))/2；
d)重复步骤b-c直到MMAX(u,v)与MMIN(u,v)相等，即可获得合适的投影灰度值矩阵MEND。
8.根据权利要求7所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(4)中生成最终的自适应光栅图的方法为：
Ii(u,v)＝MEND(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))
其中，Ii(u,v)为第i幅光栅图像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)为设计的主值相位，为设计的第i幅光栅图像的相移，MEND为逐像素求得的能够消除相机采集图像中存在的饱和的灰度值矩阵。
9.根据权利要求1所述的基于自适应光栅投影的高动态性能三维测量方法，其特征在于，步骤(6)中的空间交汇法的计算公式为：
其中，(x,y)是相机图像的像素坐标，(u,v)是与之对应的投影仪图像的坐标，
其中和为像素(x,y)竖直和水平方向的绝对相位，Nv和Nh分别为竖直和水平光栅图像的条纹周期总数，W和H为光栅图像的宽度和高度像素数；
Ac[Rc Tc]是摄像机的内外参矩阵，Ap[Rp Tp]是投影仪的内外参矩阵，(X,Y,Z)为像素(x,y)对应的三维坐标。
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