CN111879257A - 一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法 - Google Patents

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伏燕军
专宇浩
刘彦昭
王庆
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Abstract

本发明公开了一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法，包含以下步骤，步骤一，首先将单色图像投影到被测物体上，利用R、G、B通道的不同响应，将一幅彩色图像分成三幅不同强度的单色图像。步骤二，将三幅单色图像合成HDR条纹图，通过背景归一化算法处理得到最终的条纹图。步骤三，利用傅里叶变换轮廓术(FTP)检索相位图，得到三维形状。本方法将多重曝光技术和FTP技术相结合，并且可以避免使用FTP而导致的物体运动引起的相位失真问题。

Description

一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法
技术领域
本发明涉及测量方法技术领域，具体涉及一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法。
背景技术
条纹投影轮廓术由于非接触式、测量速度快、灵敏度高和自动化程度高等优点，在三维测量中扮演着重要角色。由计算机、投影仪、工业相机和被测物体组成的三角形结构称为结构光测量系统。三维结构光测量系统如图1所示。
基于背景归一化的傅里叶变换轮廓术方法与传统傅里叶变换轮廓术方法不同。它需要捕获两种模式:条纹模式和统一灰度模式，就是所有的像素的灰度都是最大值，即空白图片。利用这幅空白图片可以去除频域中的零频和物体部分反射率的影响，从而有效解决传统傅里叶变换方法中的频谱混叠问题。
在测量高反射面物体上，现存的高动态范围(HDR)三维测量技术大多都是基于相移轮廓术(PSP)。而基于傅里叶变换轮廓术(FTP)的高动态范围(HDR)三维测量技术仍然缺乏。由此提出一种基于傅里叶变换轮廓术(FTP)的高动态范围(HDR)实时三维测量方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法，可以将高动态范围测量和动态实时测量相结合。有效减少物体运动引起的相位失真问题。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法，所述方法包括以下步骤，
步骤一，根据测量对象搭建对应的测量平台，将投影仪，相机和工作站组成对应的测量系统；
步骤二，用投影仪分别将单色图像与统一灰度图像投影到物体上，用相机捕获到对应的两组彩色图像；利用R,G,B三个通道的不同响应，将捕获的到的两组彩色图像分成3组不同亮度强度的单色条纹图像和3组同亮度强度的均匀灰度图像；
步骤三，将分离出来的3幅条纹图与3幅灰阶均匀的图片，分别按照灰度排序，选取三张条纹图像中最亮但是不饱和对应的像素，从而组合生成一张HDR的复合图像；并且将灰阶均匀的图像也做同样处理；然后将生成2幅图像按照背景归一化算法生成最终的条纹图案；
步骤四，根据傅里叶变换轮廓术计算包裹相位；再根据最小距离投影法解出包裹相位得到绝对相位；最后根据公式(1)得到物体高度信息，
Figure BDA0002594792700000021
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，φ为物体表面图像和参考平图像对应点的连续相位差，d表示投影仪和相机之间的距离；L为相机的光心到参考平面的距离。
优选的，所述相机为CCD工业相机。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)将高动态范围(HDR)条纹投影技术与傅里叶变换轮廓术相结合，能够处理更加复杂的测量对象，能够有效测量表面有光泽的动态物体。
(2)能够有效避免由于物体运动导致的相位失真问题，使测量结果更加准确。
(3)本方法能够减少所需要的图片数量，大大减少测量时间，提高测量速度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的三维测量系统；
图2为多强度图像获取示意图；
图3合成的HDR图片；
图4为背景归一化算法生成的条纹图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明的具体实施例如图1-4所示，一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法。由单镜头多强度图像生成技术、图像融合技术、背景归一化算法、获取三维形貌四大关键部分组成。
(一)单镜头多强度图像生成技术
对于彩色相机而言，CMOS传感器上的像素通过拜耳阵列后被分成红、绿蓝三个通道。不同通道上的像素对于相同波长的光有着不同程度的响应。利用这一特点可以将一幅彩色条纹图案分成三幅强度不同的条纹图案。
(二)图像融合技术
将生成的三个通道的条纹图按照灰度排序。为了从三幅图像中得到亮度最高且不饱和的像素。可以通过公式(2)来判断各个通道的饱和区域。即生成对应的图像掩模。
Figure BDA0002594792700000031
再根据公式(3)合成对应的HDR图像。
Figure BDA0002594792700000032
(三)背景归一算法
利用公式4可以将合成的HDR条纹图像与均匀灰度的图像合成为最终的条纹图案。
Figure BDA0002594792700000033
(四)获取三维形貌
Figure BDA0002594792700000034
Figure BDA0002594792700000035
根据傅里叶变换轮廓术，利用公式(5)和公式(6)获取目标的截断相位。再根据基于投影距离最小化的相位展开方法得到绝对相位。然后根据公式(1)的相位与高度关系得到物体高度信息。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
步骤一，根据测量对象搭建对应的测量平台，将投影仪，相机和工作站组成对应的测量系统；
步骤二，用投影仪分别将单色图像与统一灰度图像投影到物体上，用相机捕获到对应的两组彩色图像；利用R,G,B三个通道的不同响应，将捕获的到的两组彩色图像分成3组不同亮度强度的单色条纹图像和3组同亮度强度的均匀灰度图像；
步骤三，将分离出来的3幅条纹图与3幅灰阶均匀的图片，分别按照灰度排序，选取三张条纹图像中最亮但是不饱和对应的像素，从而组合生成一张HDR的复合图像；并且将灰阶均匀的图像也做同样处理；然后将生成2幅图像按照背景归一化算法生成最终的条纹图案；
步骤四，根据傅里叶变换轮廓术计算包裹相位；再根据最小距离投影法解出包裹相位得到绝对相位；最后根据公式(1)得到物体高度信息，
Figure FDA0002594792690000011
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，φ为物体表面图像和参考平图像对应点的连续相位差，d表示投影仪和相机之间的距离；L为相机的光心到参考平面的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于傅里叶变换轮廓术的高动态范围实时三维测量方法，其特征在于：所述相机为CCD工业相机。
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