CN109540038A - 基于彩色多通道双频相移的机器视觉自适应补光测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于彩色多通道双频相移的机器视觉自适应补光测量方法，包括：建立相机‑投影仪系统；制作四步相移条纹，获得参考图像和畸变图像；获取深度信息，获得高频分量和低频分量的包裹相位，利用双频技术来进行相位解包，将获得的解包相位带入相位和深度的转换关系式中得到每一个像素点的深度值，从而获得物体表面的深度分布图；自适应补光，将畸变图像滤除高频分量后，采用迭代方式，改变投影到图像表面的照明强度，高反射率部分降低强度，低反射率部分增强强度，之后，将新处理的图像用投影仪投射到物体表面，继续采集，处理，迭代的过程，直到相机采集到清晰的图像为止。

Description

基于彩色多通道双频相移的机器视觉自适应补光测量方法

技术领域

本发明属于自适应光学领域

背景技术

计算机视觉是通过图像采集设备获取图片来判断物体相应状态的一种技术手段，所以，所采集到的照片质量的好坏决定了判断的准确性。其中，照明系统是计算机视觉中不可或缺的一部分，当照明条件不好时，无法获得清晰的图像，然而，由于物体表面的材料结构不同，会导致物体表面的反射率也不尽相同，当物体表面存在高反射率时，会出现过饱和现象，导致图像中物体细节信息消失，反之，低反射率时会导致物体表面暗淡，无法看清物体，因此，自适应照明技术应运而生。自适应照明技术的必要条件是通过光栅相位的信息获得复杂物体每一像素点的深度值。最常用的测量深度信息的方法为傅里叶变换法和相移法。傅里叶变换法是依靠投影在物体表面的畸变条纹来获取物体深度信息的一种非接触式测量方法，但是傅里叶方法计算复杂，且误差较大。相对傅里叶变化法来说，相移法的计算仅仅是在时域上，大大地提高了计算速度，拥有较高的计算精度。

在自适应照明过程中，需要采用相移法来获取图像的深度信息，但是，传统的单色相移方法需要多次进行拍摄采集，从而影响整个过程的速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种在彩色多通道基础上的快速自适应补光测量的方法。本发明应用彩色多通道的特性解决多频多次采集拍摄的问题，在解决了颜色串扰问题的基础上，实现多频情况下的单次采集，使得投影图像次数减少，从而获得更快的计算速度，在此方法的基础上可得到高质量的图片。技术方案如下：

一种基于彩色多通道双频相移的机器视觉自适应补光测量方法，包括下列步骤：

第一步，建立相机-投影仪系统；

第二步，制作四步相移条纹，获得参考图像：将绿色通道设置为没有条纹，红色通道输入高频正弦光栅条纹，蓝色通道输入低频正弦光栅条纹，最后将三个通道条纹叠加输出即相移条纹；将红，蓝通道中输入的正弦光栅条纹的相位依次设为0,π/2,π,3π/2进行上述操作，获得四幅相移条纹，即为四步相移条纹；投影仪将获得的四步相移条纹依次投射于未放置物体的参考平面上，由相机获取参考平面上的条纹信息，获得四幅不同相位的参考图像。

第三步，获得畸变图像，将物体放置在参考平面上后，投影仪依次投射四步相移条纹于场景中，条纹因受到物体表面的调制而产生畸变，由相机获取四幅畸变图像；

第四步，获取深度信息，将畸变图像和参考图像的红，蓝通道分开，获得8幅高频图像和8幅低频图像，分别将高频图像和低频图像带入相位和图像强度转换公式中获得高频分量和低频分量的包裹相位，利用双频技术来进行相位解包，将获得的解包相位带入相位和深度的转换关系式中得到每一个像素点的深度值，从而获得物体表面的深度分布图，相位和深度的转换关系式为：其中，f₀为投射条纹频率，d为投影仪和相机的距离，Δφ_AB代表物体表面O点相对于参考平面的相位差值，L为相机和投影仪到参考平面的距离；

第五步，自适应补光，将第三步获得的畸变图像滤除高频分量后，采用迭代方式，改变投影到图像表面的照明强度，高反射率部分降低强度，低反射率部分增强强度，之后，将新处理的图像用投影仪投射到物体表面，继续采集，处理，迭代的过程，直到相机采集到清晰的图像为止。

附图说明

图1本发明采用相机-投影系统

图2为双频彩色四步相移条纹，其中，图(a)(b)(c)(d)的相移分别为0,π/2,π,3π/2

图3深度直方图

图4为强光照情况下拍摄的原图和经过自适应照明后的结果图，其中，(a)是在强光照情况下拍摄的原图，(c)经过自适应照明后的结果图，(b)和(d)分别为(a)，(c)的灰度分布图

图5为弱光照情况下拍摄的原图和经过自适应照明后的结果图，其中(a)图是在弱光照情况下拍摄的原图，(c)经过自适应照明后的结果图，(b)和(d)分别为(a)和(c)的灰度分布图

图6本发明流程图

具体实施方式

第一步，建立相机-投影系统。

图1为本发明的相机-投影系统。其中，C点放置相机的入射瞳，P点放置投影仪的入射瞳，白色墙壁作为参考平面，相机和投影仪之间的距离为d，物体上某一点相对于参考平面的深度值为h，C和P到参考平面的距离为L，Δφ_AB代表物体表面O点相对于参考平面的相位差值。

第二步，制作相移条纹，获得参考图像

根据四步相移法，需要投射出四幅不同相位的条纹，如图2所示。

第三步，获得畸变图像。

将四步相移条纹投射到物体上获得畸变图像，其图像强度I_i(x,y)的表达式为：

其中，A(x,y)是背景强度，B(x,y)是物体表面的反射率。

第四步，获取深度信息。

由畸变图像的强度表达式(1)可以得到包裹相位φ(x,y)的表达式：

将四幅参考图像和四幅畸变图像分别带入公式(2)中获得相对应的包裹相位。然后利用双频技术对获得的两个包裹相位进行相位解包，其公式为：

其中，是高频分量的解包裹相位，φ_h为高频分量的包裹相位，为低频分量的解包裹相位，int是取整操作，K代表高频与低频的比值。

将解包后的两个解包相位作差值，即得Δφ_AB。

根据深度与相位的推导公式(4)，获得物体表面的深度直方图,如图3.

其中，f₀为投射条纹的频率，d为相机和投影仪之间的距离。

第五步，自适应补光。

首先，在强光的照射下，以带花纹的铝盖为实验物体，由相机捕获的图像中会丢失铝盖的细节信息，经过自适应补光后，我们会清晰的看到盖子上的花纹图案。图4所示为在强光照射下的结果图及灰度分布图。

如图4(a)所示，像素值大于200的有81265个像素，占所有像素的31.92％。在迭代之后，图4(c)清晰的显示了铝盖表面的纹理，从灰度直方分布图看出，大多数像素都集中到50到200个灰度值之间，灰度值大于200的像素只占像素的6.5％。

在弱光照射下，以带标签的盒子为实验物体，在弱光下，物体表面会出现暗淡部分，经过自适应补光后，提高了暗淡部分的亮度，可以清晰的看到物体。图5为在此条件下的结果图及灰度分布图。

由图5(b)可得，灰度值在0到50像素值为42928个，图像上的标签部分暗淡，无法看清。经过自适应补光后，提高了暗淡部分的亮度，获得了清晰的图像。

由上述讨论可知，本发明利用彩色多通道的特点，提升了获取深度信息的速度，同时，在双频技术下的解包相位方式具有更高的精度，更容易达到理想效果。

1.相比与之前的单色相移方法，本发明提出的方法减少了投影次数，提高了获取深度信息的速度。

2.相比与之前的解包裹相位的方法，本发明提出的双频技术解包法具有更高的精度。

3.本发明的装置只需要CCD相机，投影仪和光源，装置简单，满足低成本的要求。

4.本发明结合硬件与软件算法，更具有适用性，更适用于工业领域，在不需要良好的光照条件下，就可以获得质量良好的图像。

Claims (1)

1.一种基于彩色多通道双频相移的机器视觉自适应补光测量方法，包括下列步骤：

第一步，建立相机-投影仪系统；

第二步，制作四步相移条纹，获得参考图像：将绿色通道设置为没有条纹，红色通道输入高频正弦光栅条纹，蓝色通道输入低频正弦光栅条纹，最后将三个通道条纹叠加输出即相移条纹；将红，蓝通道中输入的正弦光栅条纹的相位依次设为0,π/2,π,3π/2进行上述操作，获得四幅相移条纹，即为四步相移条纹；投影仪将获得的四步相移条纹依次投射于未放置物体的参考平面上，由相机获取参考平面上的条纹信息，获得四幅不同相位的参考图像。

第三步，获得畸变图像，将物体放置在参考平面上后，投影仪依次投射四步相移条纹于场景中，条纹因受到物体表面的调制而产生畸变，由相机获取四幅畸变图像；

第四步，获取深度信息，将畸变图像和参考图像的红，蓝通道分开，获得8幅高频图像和8幅低频图像，分别将高频图像和低频图像带入相位和图像强度转换公式中获得高频分量和低频分量的包裹相位，利用双频技术来进行相位解包，将获得的解包相位带入相位和深度的转换关系式中得到每一个像素点的深度值，从而获得物体表面的深度分布图，相位和深度的转换关系式为：其中，f₀为投射条纹频率，d为投影仪和相机的距离，Δφ_AB代表物体表面O点相对于参考平面的相位差值，L为相机和投影仪到参考平面的距离；

第五步，自适应补光，将第三步获得的畸变图像滤除高频分量后，采用迭代方式，改变投影到图像表面的照明强度，高反射率部分降低强度，低反射率部分增强强度，之后，将新处理的图像用投影仪投射到物体表面，继续采集，处理，迭代的过程，直到相机采集到清晰的图像为止。