CN107339953A - 一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法，包括：利用投影仪将计算机生成的正弦，矩形，三角，双频正弦4种光栅条纹投射在三维目标物体表面，这4种光栅条纹即为4幅参考条纹；参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，获取对应的4幅畸变条纹；利用傅里叶变换在频域中分别提取4对畸变条纹和参考条纹的基频分量，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位；建立起投影仪和相机之间的像素匹配；通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在三维目标物体表面；对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的4幅自适应照明图像进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。

Description

一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法
技术领域
本发明涉及一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法，属于自适应光学领域；
背景技术
对于8-bit数字相机，当被测场景有高反射率和低反射率的不同部分时，采集得到的图像只包含8-bit有限的像素信息，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，因此在特定照明条件下高反射或者低反射的部分会出现极亮或极暗的区域，造成像素信息的丢失，对后续的决策和执行造成极其不利的影响。
传统的方法多采用手动调节照明设备亮度的方式避免曝光过度，然而这种手动调节方式不适用于工业自动化，而且不具有普遍性。基于此，自适应照明技术在机器视觉的应用中显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可以避免不同反射表面对机器视觉决策和分析造成不利影响的自适应照明优化方法。本发明的技术方案如下：
一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法，包括下列步骤：
(1)投影幕布作为参考平面，将投影仪和相机非同轴放置在幕布的同侧，利用投影仪将计算机生成的正弦，矩形，三角，双频正弦4种光栅条纹投射在三维目标物体表面，这4种光栅条纹即为4幅参考条纹；
(2)参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，利用CCD相机分别获取对应的4幅畸变条纹，推导出物体深度和条纹相位变化的关系；
(3)利用傅里叶变换在频域中分别提取4对畸变条纹和参考条纹的基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位；
(4)对于每对畸变条纹和参考条纹，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值，进而得到在4种不同光栅投影的情况下目标场景的重构图，即建立起投影仪和相机之间的像素匹配；
(5)将相机采集的4幅畸变图像作为处理前的图像，通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在三维目标物体表面，将此过程重复多次以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分，称此过程为黑暗/饱和像素数的比较过程；
(6)对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的4幅自适应照明图像进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1>解决了8bit相机对多反射场景采集时像素丢失的弊端，避免了不同反射表面对机器视觉决策和分析造成的不利影响；
2>本发明提出了投影仪根据相机的反馈在物体表面投射反比例强度的照明以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分；
3>本发明投射4种不同的光栅条纹，通过比较得到最佳的自适应照明方法，对单一的自适应照明方法进行了优化；
4>本发明结合硬件搭建和软件算法，比现有只利用算法进行照明补偿的方法具有普遍适用性，在解决相机范围限制的前提下更适用于工业生产；
5>本发明的自适应照明装置只需要CCD相机，投影仪和外界光源，而且实验平台搭建简单，满足低成本系统构建的要求。
附图说明
图1所示为本发明自适应照明的装置示意图。
图2所示为本发明中的4幅参考光栅图形和对应的畸变光栅图形。(a1)参考正弦条纹；(b1)畸变正弦条纹；(a2)参考矩形条纹；(b1)畸变矩形条纹；(a2)参考三角条纹；(b1)畸变三角条纹；(a2)参考双频正弦条纹；(b1)畸变双频正弦条纹。
图3所示为本发明在4幅光栅投射下，利用傅里叶轮廓法得到对应的4个深度轮廓图。(a)正弦条纹投射；(b)矩形条纹投射；(c)三角条纹投射；(d)双频正弦条纹投射；
图4所示为本发明在强照明下的饱和图像和利用4种自适应照明方法的结果图，(a)强照明图像；(b1)-(b4)为4种自适应照明结果图。
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；
图1所示为本发明自适应照明的装置示意图。其中，投影仪和相机采用非同轴配置，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，推导出物体深度和条纹相位变化的关系有
代表相位的变化，有
将式(2)代入式(1)中，得到
图2所示为本发明中的4幅参考光栅图形和对应的畸变光栅图形。将计算机生成的如图2(a1)-(a4)所示的正弦，矩形，三角，双频正弦光栅条纹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2(b1)-(b4)所示，通过CCD相机分别获取4幅参考光栅条纹和畸变光栅条纹。
图3所示为本发明在4幅光栅投射下，利用傅里叶轮廓法得到的4个深度轮廓图。利用傅里叶变换在频域中提取基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位。再结合相位-深度转化公式得到深度分布图，投影仪和相机建立的像素匹配意味着投影仪上的每一点都映射到相机的对应点，因此投影仪和相机之间的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4种自适应照明方法的结果图。在强照明条件下，高反射区域超过相机的采集范围而呈现出饱和状态，丢失像素信息。因此本发明将饱和像素数作为判断自适应照明效果的指标，对于灰度级为0-255的8-bitCCD相机，灰度级等于255的像素即为饱和像素。投影仪的反比例补光即根据相机的反馈在物体表面每一个像素点投射与物体表面光照强度成反比例的照明，通过不断的重复操作，饱和的部分恢复了像素信息。强照明条件下的原始图像和4种自适应照明结果的饱和像素数如表1所示。
表1.原始图像和自适应照明的饱和像素数
强照明图像 正弦光栅投射 矩形光栅投射 三角光栅投射 双频正弦光栅投射
饱和像素数 11274 1639 1467 1985 1216
根据4个自适应照明结果图和饱和像素数的比较可知，正弦，矩形，三角，双频正弦光栅的自适应照明方法都是有效的，证明了自适应照明方法的稳定性，其中双频正弦光栅投射的方法是最佳的。

Claims (1)

1.一种适用于多反射场景的自适应照明优化方法，包括下列步骤：
(1)投影幕布作为参考平面，将投影仪和相机非同轴放置在幕布的同侧，利用投影仪将计算机生成的正弦，矩形，三角，双频正弦4种光栅条纹投射在三维目标物体表面，这4种光栅条纹即为4幅参考条纹；
(2)参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，利用CCD相机分别获取对应的4幅畸变条纹，推导出物体深度和条纹相位变化的关系；
(3)利用傅里叶变换在频域中分别提取4对畸变条纹和参考条纹的基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位；
(4)对于每对畸变条纹和参考条纹，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值，进而得到在4种不同光栅投影的情况下目标场景的重构图，即建立起投影仪和相机之间的像素匹配；
(5)将相机采集的4幅畸变图像作为处理前的图像，通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在三维目标物体表面，将此过程重复多次以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分，称此过程为黑暗/饱和像素数的比较过程；
(6)对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的4幅自适应照明图像进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。
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