CN112611341A - 基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法。所述基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法包括以下步骤：S1：编码彩色图案，标定串扰矩阵；S2：投影彩色编码图，CCD采集变形条纹；S3：对采集图像解串扰，提取RGB通道，计算物体表面反射率，对相移条纹进行校正S4：使用三步相移获取相位信息；S5：使用级次信息展开包裹相位。本发明提供的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法具有能较好的减弱编码图案受到的物体表面纹理信息的干扰，提高测量精度，得到更好的测量效果的优点。

Description

基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法。

背景技术

近年来，结构光投影三维测量技术由于其具有非接触、测量速度快、精度高等特点，广泛应用在工业测量、文物数字化保护等诸多领域。随着结构光三维测量得到越来越广泛的应用，被测对象的特性也更加复杂。需要测量的对象不再局限于白色或浅色物体，而是扩展到物体表面存在丰富颜色、纹理、高低错落等情况。为了提高测量速度，提出了彩色编码技术，从而一张投影图带有更多信息。

由于引入了彩色编码技术，在测量彩色物体时，物体的纹理信息会严重影响彩色编码图的质量。本方法基于彩色响应模型，提出了一种编码图强度校正的方案。通过计算测量系统的串扰矩阵以及待测物体表面各点反射率，从而能够较快速获取较好的测量效果。

因此，有必要提供一种新的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能较好的减弱编码图案受到的物体表面纹理信息的干扰，提高测量精度，得到更好的测量效果的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法包括以下步骤：

S1：编码彩色图案，标定串扰矩阵；

S2：投影彩色编码图，CCD采集变形条纹；

S3：对采集图像解串扰，提取RGB通道，计算物体表面反射率，对相移条纹进行校正；

S4：使用三步相移获取相位信息；

S5：使用级次信息展开包裹相位。

优选的，所述S1的具体步骤如下：

S101：编码三幅彩色图案，第一幅R通道是纯色图，G通道是相移为0的级次条纹，B通道是相移为0的正弦条纹，第二幅R通道是相移为2π/3的正弦条纹，G通道是纯色图，B通道是相移为2π/3的级次条纹，第三幅R通道是相移为4π/3的级次条纹，B通道是相移为 4π/3的正弦条纹，B通道是纯色图

S102：投影三幅红绿蓝纯色图到白板上计算测量系统的串扰矩阵，计算式如下：

其中[R G B]^T是CCD相机采集到的图像某一像素点R、G、B通道实际像素值，A是测量系统的串扰矩阵，I＝[r g b]^T是输入投影仪的设定像素值。

优选的，所述S3的具体步骤如下：

S301：使用步骤S1得到的串扰矩阵对采集到的图像解串扰；

S302：对采集图像进行RGB提取，得到三幅RGB纯色图，然后计算物体表面的反射率，计算式如下：

其中，k_r是对红光的反射率，k_g是对绿光的反射率，k_b是对蓝光的反射率；

S303：使用反射率对正弦条纹和级次条纹进行校正。

优选的，所述S4具体步骤如下：

S401：使用S3得到的三幅相移条纹，其表达式如下：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2nπ/3]

其中n＝0，1，2；

S402：通过三幅变形条纹图可以解得包裹相位：

通过上式获得的相位是包裹相位，要获得高度信息需要使用展开相位，绝对相位法可以将包裹相位展开。

优选的，所述S5中获取展开相位的主要步骤为：

S501：将相位信息编码进阶梯，

上式中的φ^s(x,y)是阶梯编码图的相位信息，x是像素点的列坐标， P是每一级阶梯所包含像素点个数，[x/P]是取整得到的阶梯级次；

S502：将具有相位信息的阶梯编码进相移条纹图；

I_k(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ^s+2kπ/3)

上式中k＝0，1，2，得到三幅包含阶梯信息的条纹图；

S503：使用S3中得到的级次条纹图，通过S402解得阶梯的相位信息；

S504：通过相位信息解得级次，

S505：使用S504求得的级次，对S4求得的包裹相位进行相位展开，

Φ(x,y)＝φ(x,y)+k·2π

最后求得的Φ(x,y)即是展开相位。

与相关技术相比较，本发明提供的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，该方法可以有效减小彩色物体表面纹理信息对测量结果的影响，使用彩色编码，每张图包含的信息量增大，减少了需投影图案的数量，有效提高了测量的速度。

附图说明

图1为本发明方法的测量流程图；

图2为测量系统示意图；

图3为具体编码示意图，图3(a),(b),(c)分别为三帧彩色编码图，如图3(d),(g),(j)所示第一帧R通道是纯色图，G通道是相移为0的级次条纹，B通道是相移为0的正弦条纹，如图3(e),(h),(k)所示，第二帧R通道是相移为2π/3的正弦条纹，G通道是纯色图，B 通道是相移为2π/3的级次条纹，如图3(f),(i),(l)所示第三帧R通道是相移为4π/3的级次条纹，B通道是相移为4π/3的正弦条纹，B通道是纯色图；

图4为编码方案总览图；

图5为校正前后对比图；

图6为测量物体三维图及测量结果图，图5(a)为物体原图，图五(b),(c)为两个不同角度的测量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤a、编码彩色图案，标定串扰矩阵。

步骤b、投影彩色编码图，CCD采集变形条纹。

步骤c、对采集图像解串扰，提取RGB通道，计算物体表面反射率，对相移条纹正弦补偿。

步骤d、使用三步相移获取相位信息。

使用级次信息展开包裹相位，使用c中的三幅级次条纹图。

具体实施例二

本实施例是具体实施例一的测量系统图。

具体实施例三

本实施例的彩色编码方案，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤a的具体步骤如下：

步骤a1：编码三幅彩色图案，作为投影图组。

相移条纹编码公式为：I_k(x,y)＝R(x,y)[A(x,y)+B(x,y)cos(φ_I+δ_k)]

其中φ_I＝2πyf₀

本方法采用三步相移方法，编码三幅彩色图案，第一幅R通道是纯色图，G通道是相移为0的级次条纹，B通道是相移为0的正弦条纹，第二幅R通道是相移为2π/3的正弦条纹，G通道是纯色图，B通道是相移为2π/3的级次条纹，第三幅R通道是相移为4π/3的级次条纹，B通道是相移为4π/3的正弦条纹，B通道是纯色图。编码图如图三所示。

步骤a2：投影3幅红绿蓝纯色图到白板上计算测量系统的串扰矩阵。

计算式如下：

其中[R G B]^T是CCD相机采集到的图像某一像素点R、G、B通道实际像素值，A是测量系统的串扰矩阵，I＝[r g b]^T是输入投影仪的设定像素值。

具体实施例四

本实施例是在具体实施例一的基础上，对步骤a方案的说明，展示了12种不同的方案。

具体实施例五

本实施例的彩色编码三维测量校正技术，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤c的具体步骤如下：

步骤c1：使用得到的串扰矩阵对采集到的图像解串扰。

步骤c2：对采集图像进行RGB提取，得到三幅RGB纯色图，然后计算物体表面的反射率，计算式如下：

其中，k_r是对红光的反射率，k_g是对绿光的反射率，k_b是对蓝光的反射率。

步骤c3：使用反射率对正弦条纹和级次条纹进行校正。

具体实施例六

本实施例的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，和具体实施例一到五可较快速测量彩色物体三维信息。图3是一组彩色编码示意图，图4是其余彩色编码组合示意图，图5是测量时相移条纹校正前后的对比图，可以看出在经过强度校正后，相移条纹受到的物体表面纹理信息干扰明显减弱。图6是测量物体原图，以及两个不同角度的测量结果图。

与相关技术相比较，本发明提供的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，该方法可以有效减小彩色物体表面纹理信息对测量结果的影响，使用彩色编码，每张图包含的信息量增大，减少了需投影图案的数量，有效提高了测量的速度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：编码彩色图案，标定串扰矩阵；

S2：投影彩色编码图，CCD采集变形条纹；

S3：对采集图像解串扰，提取RGB通道，计算物体表面反射率，对相移条纹进行校正；

S4：使用三步相移获取相位信息；

S5：使用级次信息展开包裹相位。

2.根据权利要求1所述的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，所述S1的具体步骤如下：

S101：编码三幅彩色图案，第一幅R通道是纯色图，G通道是相移为0的级次条纹，B通道是相移为0的正弦条纹，第二幅R通道是相移为2π/3的正弦条纹，G通道是纯色图，B通道是相移为2π/3的级次条纹，第三幅R通道是相移为4π/3的级次条纹，B通道是相移为4π/3的正弦条纹，B通道是纯色图

S102：投影三幅红绿蓝纯色图到白板上计算测量系统的串扰矩阵，计算式如下：

其中[R G B]^T是CCD相机采集到的图像某一像素点R、G、B通道实际像素值，A是测量系统的串扰矩阵，I＝[r g b]^T是输入投影仪的设定像素值。

3.根据权利要求1所述的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，所述S3的具体步骤如下：

S301：使用步骤S1得到的串扰矩阵对采集到的图像解串扰；

S302：对采集图像进行RGB提取，得到三幅RGB纯色图，然后计算物体表面的反射率，计算式如下：

其中，k_r是对红光的反射率，k_g是对绿光的反射率，k_b是对蓝光的反射率；

S303：使用反射率对正弦条纹和级次条纹进行校正。

4.根据权利要求1所述的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，所述S4具体步骤如下：

S401：使用S3得到的三幅相移条纹，其表达式如下：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2nπ/3]

其中n＝0，1，2；

S402：通过三幅变形条纹图可以解得包裹相位：

通过上式获得的相位是包裹相位，要获得高度信息需要使用展开相位，绝对相位法可以将包裹相位展开。

5.根据权利要求1所述的基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法，其特征在于，所述S5中获取展开相位的主要步骤为：

S501：将相位信息编码进阶梯，

上式中的φ^s(x,y)是阶梯编码图的相位信息，x是像素点的列坐标，P是每一级阶梯所包含像素点个数，[x/P]是取整得到的阶梯级次；

S502：将具有相位信息的阶梯编码进相移条纹图；

I_k(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ^s+2kπ/3)

上式中k＝0，1，2，得到三幅包含阶梯信息的条纹图；

S503：使用S3中得到的级次条纹图，通过S402解得阶梯的相位信息；

S504：通过相位信息解得级次，

S505：使用S504求得的级次，对S4求得的包裹相位进行相位展开，

Φ(x,y)＝φ(x,y)+k·2π

最后求得的Φ(x,y)即是展开相位。

Images