CN109631797B - 一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构光3D测量技术领域，具体为一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，包括如下步骤：S1、采用多步相移技术进行投影测量；S2、利用相机捕获变形多步相移变形条纹图，定位高光条纹过饱和区域；S3、计算多步相移变形条纹图，对标准差进行阈值判断，定位条纹信息缺失区域；S4、对高光区域和阴影区域进行形态学处理，获得最终三维重构无效区域。该方法利用条纹投影技术中已有的多步相移条纹图，在无需额外增加测量步骤的前提下，能够快速、准确的定位三维重构无效区域，为3D数据后期处理中无效数据裁剪、高反区域补偿以及背景区域移除等提供了重要的位置信息。

Description

一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法

技术领域

本发明涉及结构光3D测量技术领域，具体为一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法。

背景技术

随着软件和硬件技术的发展，光学测量技术越来越成熟，其中结构光三维测量技术，因为非接触、快速、高精度等优点，备受关注。条纹投影轮廓术就是一种被广泛研究的结构光三维测量技术，该技术利用投影设备将条纹投影到待测物体表面，被测物体形貌的变化导致条纹发生扭曲，形变，对这种条纹形变进行分析来获取高度信息。通过算法重构后的三维数据，一般存在一些无效数据，需要做进一步的数据修剪，剔除一些错误信息。在条纹投影轮廓术中，原始条纹数据的无效性是造成3D数据错误的根本原因，正确定位条纹无效区域，即可准确判断3D数据错误区域。

采用传统的滤波、形态学、分割等图像处理技术对错误3D数据进行定位时，需要计算条纹图表面调制度分布和条纹图背景光，再利用两者计算对比度分布图，最终阈值判断得到阴影区域，步骤繁复，效率低下，且该方法仅仅只对阴影区域进行定位。为此，我们提出一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，包括如下步骤：

S1、采用多步相移技术进行投影测量，根据相移技术投影条纹图像不少于三幅；

S11、利用计算机编码生成n步相移正弦条纹图I₁、I₂、…I_n，其中n≥3且n为整数，第k步相移所得条纹图I_k表达式如下所示；

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)sin(2πf+Φ₀+2πk/n) (1)，

其中(x,y)为编码图片空间坐标，f为条纹频率，A(x，y)为条纹的背景光强；B(x，y)为条纹的对比度；Φ₀为初相位；

S2、利用相机捕获变形多步相移变形条纹图，对多步相移条纹图进行阈值判断，定位高光条纹过饱和区域；

S21、利用相机捕获的第K步相移条纹图I'_k(x,y)表达式如下所示：

上式中,

为与待测物体高度分布相关的相位值；R(x,y)为待测物体表面针对投影条纹的反射率，i(x,y)为未进行投影条纹情况下待测物体表面的环境光分布，e(x,y)为与条纹调制无关的相机随机噪声；

S22、图像高光区域在条纹图I'_k(x,y)上反映为条纹图案过饱和，即像素值为255；利用相移条纹定位高光区域，需要先求取每一幅条纹图的高光区域，再取n幅相移高光图的并集即可；假设第k幅相移图的高光区域模板为

与条纹图I'_k(x,y)的关系如下所示：

其中T_H为高光阈值，当条纹图灰度值大于T_H时则定义为高光区域；可根据具体拍摄系统光照情况而定；

对n幅相移图求高光模板，并取所有高光模板的并集：

M^H(x,y)即为n步相移图中因为高光所致的无效区域；

S3、计算多步相移变形条纹图，每个像素点在相移步数上的标准差，对标准差进行阈值判断，定位条纹信息缺失区域；

S31、由于变形条纹I'_k(x,y)中，R(x,y)、i(x,y)、e(x,y)与相移步数和条纹调制无关，取条纹相关项为

有表达式：

因此，有n步相移调制项均值：

n步相移条纹图的均值：

其中

为n步相移噪声均值，噪声水平与e(x,y)保持一致,

对n步相移条纹图变形条纹图沿着相移方向求标准差δ(x,y)有：

根据上式，当R(x,y)趋近于0时，所得标准差δ⁰(x,y)为：

由上式可知，条纹信息缺失区域标准差即为相机随机噪声分布的标准差δ_e；因此，取M^δ(x,y)为模板表示条纹信息缺失区域，则有如下关系式：

上式中，T_δ为标准差阈值，且有T_δ≥δ_e；

S4、对高光区域和阴影区域进行形态学处理，获得最终三维重构无效区域。

优选的，所述

和M^δ(x,y)的计算过程均是像素点自身的独立计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明提供的基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，针对传统条纹无效区域定位方法步骤的复杂性和效果的单一性，提出将灰度级阈值化和标准差阈值化相结合应用于多步相移条纹图实现一种计算简单、功能全面的条纹无效区域定位方法。该方法利用条纹投影技术中已有的多步相移条纹图，在无需额外增加测量步骤的前提下，能够快速、准确的定位三维重构无效区域，为3D数据后期处理中无效数据裁剪、高反区域补偿以及背景区域移除等提供了重要的位置信息。

附图说明

图1为本发明定位方法原理框图；

图2为本发明采集的原始条纹图；

图3为本发明高光区域显示图；

图4为本发明条纹缺失阴影区域显示图；

图5为本发明完整的无效区域显示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，包括如下步骤：

S1、采用多步相移技术进行投影测量，根据相移技术投影条纹图像不少于三幅；

S11、利用计算机编码生成n步相移正弦条纹图I₁、I₂、…I_n，其中n≥3且n为整数，第k步相移所得条纹图I_k表达式如下所示。

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)sin(2πf+Φ₀+2πk/n) (1)，

其中(x,y)为编码图片空间坐标，f为条纹频率，A(x，y)为条纹的背景光强；B(x，y)为条纹的对比度；Φ₀为初相位；

S2、利用相机捕获变形多步相移变形条纹图，对多步相移条纹图进行阈值判断，定位高光条纹过饱和区域；

S21、利用相机捕获的第K步相移条纹图I'_k(x,y)表达式如下所示：

上式中,

为与待测物体高度分布相关的相位值；R(x,y)为待测物体表面针对投影条纹的反射率，当R(x,y)接近于0时或等于0时，意味着在该区域上投影条纹对相机拍摄条纹图案曝光值贡献非常小或没有贡献，也就条纹信息缺失区域，例如条纹被遮挡的阴影区域、黑色低反射区域、无限远的背景区域等；i(x,y)为未进行投影条纹情况下待测物体表面的环境光分布，e(x,y)为与条纹调制无关的相机随机噪声；

S22、图像高光区域在条纹图I'_k(x,y)上反映为条纹图案过饱和，即像素值为255；对于正弦条纹而言，这种过饱和丢失了条纹信息，同样意味着无法正确解调该区域的相位值；因此需要定位高光区域，以便于进行进一步相位补偿处理；利用相移条纹定位高光区域，需要先求取每一幅条纹图的高光区域，再取n幅相移高光图的并集即可；假设第k幅相移图的高光区域模板为

与条纹图I'_k(x,y)的关系如下所示：

其中T_H为高光阈值，当条纹图灰度值大于T_H时则定义为高光区域；可根据具体拍摄系统光照情况而定。例如，当拍摄图片为8位深图时候，灰度值动态范围为0到255，考虑相机噪声、相机曝光积分等因素，此时T_H可取250；

对n幅相移图求高光模板，并取所有高光模板的并集：

M^H(x,y)即为n步相移图中因为高光所致的无效区域；

S3、计算多步相移变形条纹图，每个像素点在相移步数上的标准差，对标准差进行阈值判断，定位条纹信息缺失区域；

S31、由于变形条纹I'_k(x,y)中，R(x,y)、i(x,y)、e(x,y)与相移步数和条纹调制无关，取条纹相关项为

有表达式：

因此，有n步相移调制项均值：

n步相移条纹图的均值：

其中

为n步相移噪声均值，噪声水平与e(x,y)保持一致，

对n步相移条纹图变形条纹图沿着相移方向求标准差δ(x,y)有：

根据上式，当R(x,y)趋近于0时，例如条纹遮挡造成阴影区域、黑色超低反射区域、无限远背景区域等条纹信息缺失区域，所得标准差δ⁰(x,y)为：

由上式可知，条纹信息缺失区域标准差即为相机随机噪声分布的标准差δ_e；因此，取M^δ(x,y)为模板表示条纹信息缺失区域，则有如下关系式：

上式中，T_δ为标准差阈值，且有T_δ≥δ_e；

在以上的

和M^δ(x,y)的计算过程均是像素点自身的独立计算，因此容易由于阈值不合理或个别噪声过大等原因，造成模板存在孤立点情况。而实际测量中无论是条纹反射率R(x,y)过大造成的高光条纹区域

还是由于条纹反射率R(x,y)过小造成的缺失条纹区域M^δ(x,y)，每个条纹失效区域都应该是连续区域。因此需要利用形态学上的开操作对

和M^δ(x,y)进行处理，可对孤立点进行连接或移除。将处理后的

和M^δ(x,y)去并集得到M(x,y)即可获得完整的三维重构无效区域；

S4、对高光区域和阴影区域进行形态学处理，获得最终三维重构无效区域。

实施例

取上述n为3时，设置条纹投影系统，投影3步相移条纹图，通过相机捕获3幅变形条纹图I₁、I₂、I₃，如图2所示；

对变形条纹图I₁、I₂、I₃根据公式(3)，进行阈值判断，取高光阈值T_H＝250，得到高光区域M^H(x,y)，如图3所示；

对变形条纹图I₁、I₂、I₃根据公式(7)，计算相移方向的标准差分布δ(x,y)，取标准差阈值T_δ＝3，再利用公式(9)进行阈值判断获取条纹信息缺失区域M^δ(x,y)，如图4所示；

对高光区域M^H(x,y)和条纹信息缺失区域M^δ(x,y)进行形态学开运算，并进行取并集得到最终完整的三维重构无效区域，如图5所示。

该方法首先利用投影仪投影n步相移图到待测物体表面，相机捕获n幅变形条纹图；在通过对n步相移图每幅图灰度值进行阈值判断可实现高光条纹过饱和区域定位；通过建立条纹图相移方向标准差分布并进行阈值判读，即可定位条纹信息缺失区域；最后对高光条纹过饱和区域和条纹信息缺失区域进行形态学处理获取完整三维重构无效区域；该方法仅仅通过简单阈值计算和标准差计算能够实现快速、稳定的三维重构无效区域定位。

采用本发明提供的基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，针对传统条纹无效区域定位方法步骤的复杂性和效果的单一性，提出将灰度级阈值化和标准差阈值化相结合应用于多步相移条纹图实现一种计算简单、功能全面的条纹无效区域定位方法。该方法利用条纹投影技术中已有的多步相移条纹图，在无需额外增加测量步骤的前提下，能够快速、准确的定位三维重构无效区域，为3D数据后期处理中无效数据裁剪、高反区域补偿以及背景区域移除等提供了重要的位置信息。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用多步相移技术进行投影测量，根据相移技术投影条纹图像不少于三幅；

S11、利用计算机编码生成n步相移正弦条纹图I₁、I₂、…I_n，其中n≥3且n为整数，第k步相移所得条纹图I_k表达式如下所示；

I_k(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)sin(2πf+Φ₀+2πk/n) (1)，

其中(x,y)为编码图片空间坐标，f为条纹频率，A(x，y)为条纹的背景光强；B(x，y)为条纹的对比度；Φ₀为初相位；

S2、利用相机捕获变形多步相移变形条纹图，对多步相移条纹图进行阈值判断，定位高光条纹过饱和区域；

S21、利用相机捕获的第K步相移条纹图I'_k(x,y)表达式如下所示：

上式中,

为与待测物体高度分布相关的相位值；R(x,y)为待测物体表面针对投影条纹的反射率，i(x,y)为未进行投影条纹情况下待测物体表面的环境光分布，e(x,y)为与条纹调制无关的相机随机噪声；

S22、图像高光区域在条纹图I'_k(x,y)上反映为条纹图案过饱和，即像素值为255；利用相移条纹定位高光区域，需要先求取每一幅条纹图的高光区域，再取n幅相移高光图的并集即可；假设第k幅相移图的高光区域模板为

与条纹图I'_k(x,y)的关系如下所示：

其中T_H为高光阈值，当条纹图灰度值大于T_H时则定义为高光区域；可根据具体拍摄系统光照情况而定；

对n幅相移图求高光模板，并取所有高光模板的并集：

M^H(x,y)即为n步相移图中因为高光所致的无效区域；

S3、计算多步相移变形条纹图，每个像素点在相移步数上的标准差，对标准差进行阈值判断，定位条纹信息缺失区域；

S31、由于变形条纹I'_k(x,y)中，R(x,y)、i(x,y)、e(x,y)与相移步数和条纹调制无关，取条纹相关项为

有表达式：

因此，有n步相移调制项均值：

n步相移条纹图的均值：

其中

为n步相移噪声均值，噪声水平与e(x,y)保持一致，

对n步相移条纹图变形条纹图沿着相移方向求标准差δ(x,y)有：

根据上式，当R(x,y)趋近于0时，所得标准差δ⁰(x,y)为：

由上式可知，条纹信息缺失区域标准差即为相机随机噪声分布的标准差δ_e；因此，取M^δ(x,y)为模板表示条纹信息缺失区域，则有如下关系式：

上式中，T_δ为标准差阈值，且有T_δ≥δ_e；

S4、对高光区域和阴影区域进行形态学处理，获得最终三维重构无效区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于相移技术的三维重构无效区域快速定位方法，其特征在于：所述

和M^δ(x,y)的计算过程均是像素点自身的独立计算。

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