CN116182745A - 一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法 - Google Patents

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CN116182745A CN202310056362.1A CN202310056362A CN116182745A CN 116182745 A CN116182745 A CN 116182745A CN 202310056362 A CN202310056362 A CN 202310056362A CN 116182745 A CN116182745 A CN 116182745A
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Abstract

本发明公开了一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，属于计算机视觉三维测量计算领域，包括：在被测物体表面制作彩色标记点；投影灰度结构光图案至被测物体表面；采集经过被测物体表面调制的结构光图案，获取被测物体表面的纹理图案；分别提取纹理图案中背景和彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于背景与彩色标记点红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且分别提取得到条纹图案和标记点图案；利用条纹图案重建三维形貌，利用标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。实现了复杂结构的全场三维形貌重建；保障了形变追踪的准确性；实现了复杂物体的三维形貌形变测量。

Description

一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉三维测量计算领域，主要涉及一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法。
背景技术
重建效率和测量鲁棒性的不断提升，使得现有条纹投影技术已经可以实现复杂动态场景的高效高精度三维形貌测量。但由于投影的图案并非附着在物体表面，因此无法准确建立不同时刻重建三维形貌信息点对点映射关系，从而无法精确计算被测表面的位移与形变。
实验力学领域，数字图像相关是一种用于分析物体变形与力学特性的公认方法，数字图像相关利用物体表面的自然纹理或人工制作的标记点，通过计算分析区域变形前后的灰度相关程度来实现准确的点对点追踪。
可获取场景稠密三维形貌的条纹投影轮廓术和能实现准确形变追踪的数字图像相关技术被结合在一起，形成了三维形貌与形变同时测量的新方法，条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度；而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度。在条纹投影轮廓术和数字图像相关技术中，一个需要提取图案表面的标记点，一个不需要提取图案表面的标记点，因此两者对表面的纹理清晰度的需求存在矛盾。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度，两者对表面的纹理清晰度的需求存在矛盾的不足，提供一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，包括以下步骤：
S1：在被测物体表面制作彩色标记点；
S2：投影灰度结构光图案至所述被测物体表面；
S3：采集经过所述被测物体表面调制的结构光图案，获取所述被测物体表面的纹理图案；
S4：分别提取所述纹理图案中背景和所述彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于所述彩色标记点和所述背景的红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且通过所述结构光图案的红绿蓝三通道强度值与所述消隐系数相乘提取得到条纹图案，通过所述纹理图案的红绿蓝三通道强度值与所述提取系数相乘提取得到标记点图案；
S5：利用所述条纹图案重建三维形貌，利用所述标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。
采用上述技术方案，通过在物体表面制作标记点，利用所提的颜色消隐和提取模型同时提取准确的条纹和纹理信息，辅助点对点、鲁棒性的条纹投影测量方法实现复杂结构的全场三维形貌重建，解决了条纹投影和数字图像相关对物体表面标记点的清晰度的需求存在矛盾的问题，可辅助实现复杂物体的三维形貌形变测量；无需投影额外图案，通过调制度提取相移图中的纹理图案并进行灰度强化处理，保障了形变追踪的准确性。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1包括：以所述彩色标记点的强度调制来表征反射率，以颜色空间下的所述被测物体表面与所述彩色标记点的欧式距离表示物体和所述彩色标记点的颜色差异，通过边界约束多参数优化求强度调制与颜色差异。
作为本发明的优选方案，基于下式计算所述强度调制与颜色差异：
Figure BDA0004060605560000031
其中，Itr，Itg，Itb分别表示所述彩色标记点的红、绿、蓝三通道强度值，Ibr，Ibg，Ibb分别表示背景的红、绿、蓝三通道强度值，MI表示所述彩色标记点的强度调制，DC表示颜色空间下的物体与所述彩色标记点的欧式距离，通过边界约束多参数优化能够求出同时保证MI和DC尽可能大的最优散斑颜色。
作为本发明的优选方案，所述步骤S2中的所述灰度结构光图案，利用投影仪以灰度模式依次投影至所述被测物体表面，用于重建所述被测物体表面的三维形貌分布。
作为本发明的优选方案，所述步骤S3中的获取所述被测物体表面的纹理图案，利用下式调制度公式获得纹理图案：
Figure BDA0004060605560000032
其中，(x,y)表示二维图像坐标，I1I2I3表示某时刻三步相移图案。
作为本发明的优选方案，所述步骤S4中，通过下式计算所述消隐系数：
Figure BDA0004060605560000041
其中，σK表示转换后总噪声大小，Im表示转换后图像灰度值，选择Im/σK最大值下的K1，K2，K3作为最终的消隐系数，σr,σg,σb分别表示调制度提取得到的纹理图案中红、绿、蓝通道的噪声大小。
作为本发明的优选方案，所述步骤S4中，通过下式计算所述提取系数：
Figure BDA0004060605560000042
其中，ΔI为提取系数转换后标记点与背景强度的差异值，σT表示转换后总噪声大小，选择ΔI/σT最大值下的T1，T2，T3作为最终的提取系数。
作为本发明的优选方案，所述步骤S4中提取所述条纹图案为：所有彩色结构光图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数K1，K2，K3获得所述条纹图像；
提取所述标记点图案为：所有彩色纹理图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上提取系数T1，T2，T3获得所述标记点图像。
作为本发明的优选方案，所述步骤S5中三维形变信息获取，将重建三维信息划分为UVW三个方向，UVW形变计算公式为：
Figure BDA0004060605560000043
其中，x、y为二维图像坐标，X、Y、Z为参考图像与变形图像对应二维点的三维世界坐标。
另一方面，公开了一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在物体表面制作标记点，利用所提的颜色消隐和提取模型同时提取准确的条纹和纹理信息，辅助点对点、鲁棒性的条纹投影测量方法实现复杂结构的全场三维形貌重建，解决了条纹投影和数字图像相关对物体表面标记点的清晰度的需求存在矛盾的问题，可辅助实现复杂物体的三维形貌形变测量；无需投影额外图案，通过调制度提取相移图中的纹理图案并进行灰度强化处理，保障了形变追踪的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法的流程图；
图2为本发明实施例1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法的消隐系数与提取系数计算的示意图；
图3为本发明实施例2所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法的投影序列图像示意图；
图4为本发明实施例2所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法的实物消隐与提取结果图；
图5为本发明实施例2所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法的实物三维形貌、形变结果图；
图6为本发明实施例3所述的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：在被测物体表面制作彩色标记点；
所述步骤S1包括：以所述彩色标记点的强度调制来表征反射率，以颜色空间下的所述被测物体表面与所述彩色标记点的欧式距离表示物体和所述彩色标记点的颜色差异，通过边界约束多参数优化求强度调制与颜色差异。
基于下式计算所述强度调制与颜色差异：
Figure BDA0004060605560000061
其中，Itr，Itg，Itb分别表示所述彩色标记点的红、绿、蓝三通道强度值，Ibr，Ibg，Ibb分别表示背景的红、绿、蓝三通道强度值，MI表示所述彩色标记点的强度调制，DC表示颜色空间下的物体与所述彩色标记点的欧式距离，通过边界约束多参数优化能够求出同时保证MI和DC尽可能大的最优散斑颜色。
获得同时满足反射率高及色彩差异大的标记点颜色，将此颜色标记点制作到待测物体表面。
S2：投影灰度结构光图案至所述被测物体表面；
所述步骤S2中的所述灰度结构光图案，利用投影仪以灰度模式依次投影至所述被测物体表面，用于重建所述被测物体表面三维形貌分布。
具体的，投影的灰度结构光图案可使用双频相移图案，高频相移图案可表示为I1、I2、I3。低频相移图案可表示为I4、I5、I6。
将低频相移图案排列在高频相移图案后，生成的投影序列S为：S＝I1I2I3I4I5I6；I1I2I3I4I5I6；...
使用灰度投影仪循环投影此灰度结构光图案至待测物体表面。
S3：采集经过所述被测物体表面调制的结构光图案，获取被测物体表面的纹理图案；
具体的，投影的序列经被待测物体调制而变形，通过高速彩色相机同步拍摄变形的序列图。使用调制度得到每一组条纹图I1I2I3中的纹理图像：
Figure BDA0004060605560000071
其中，(x,y)表示二维图像坐标，I1I2I3表示某时刻三步相移图案。
S4：分别提取所述纹理图案中背景和所述彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于所述彩色标记点和所述背景的红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且通过所述结构光图案的红绿蓝三通道强度值与所述消隐系数相乘提取得到条纹图案，通过所述纹理图案的红绿蓝三通道强度值与所述提取系数相乘提取得到标记点图案；
所述步骤S4中，通过下式计算所述消隐系数：
Figure BDA0004060605560000081
其中，σK表示转换后总噪声大小，Im表示转换后图像灰度值，选择Im/σK最大值下的K1，K2，K3作为最终的消隐系数，σr,σg,σb分别表示调制度提取得到的纹理图案中红、绿、蓝通道的噪声大小。
所述步骤S4中，通过下式计算所述提取系数：
Figure BDA0004060605560000082
其中，ΔI为提取系数转换后标记点与背景强度的差异值，σT表示转换后总噪声大小，选择ΔI/σT最大值下的T1，T2，T3作为最终的提取系数。
所述步骤S4中提取所述条纹图案为：所有彩色结构光图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数K1，K2，K3获得所述条纹图像。
所述步骤S4中提取所述标记点图案为：所有彩色纹理图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上提取系数T1，T2，T3获得所述标记点图像。
S5：利用所述条纹图案重建三维形貌，利用所述标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。
具体的，利用提取得到的高质量条纹图重建被测表面三维形貌，利用提取得到的高对比度标记点图案通过数字图像相关技术完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。
进一步的，所述三维形变信息获取步骤为：
将重建三维信息划分为UVW三个方向，UVW形变计算公式为：
Figure BDA0004060605560000091
其中，x、y为二维图像坐标，X、Y、Z为参考图像与变形图像对应二维点的三维世界坐标。
采用上述技术方案，通过在物体表面制作标记点，利用所提的颜色消隐和提取模型同时提取准确的条纹和纹理信息，辅助点对点、鲁棒性的条纹投影测量方法实现复杂结构的全场三维形貌重建，解决了条纹投影和数字图像相关对物体表面标记点的清晰度的需求存在矛盾的问题，可辅助实现复杂物体的三维形貌形变测量；无需投影额外图案，通过调制度提取相移图中的纹理图案并进行灰度强化处理，保障了形变追踪的准确性。
实施例2
本实施列为实施例1的具体实施列，测量复杂颗粒表面泡沫鞋垫，具体使用黑白二值格雷码作为本发明的结构光编码图，选择24bit高速彩色相机，具体过程如下：
S1，在鞋垫表面制作彩色标记点；
具体的，待制作标记点颜色与鞋垫表面颜色有关，标记点颜色需满足同时具有高反射率及与鞋垫本身颜色差异大，以强度公式表示标记点反射率，以颜色空间下的鞋垫与标记点的欧式距离表示鞋垫和标记点的颜色差异，具体的，标记点反射率与颜色空间下的物体与标记点的欧式距离分别以下公式表示：
Figure BDA0004060605560000101
其中，Itr，Itg，Itb表示标记点的红绿蓝三通道强度值，Ibr，Ibg，Ibb表示鞋垫表面的红绿蓝三通道强度值，MI表示标记点的强度调制，DC表示颜色空间下的鞋垫表面颜色与标记点颜色的欧式距离。
获得同时满足反射率高及色彩差异大的标记点颜色，根据鞋垫颜色获取的标记点颜色为红绿通道全反射的浅黄色。将此颜色的标记点制作到物体表面。
S2.投影灰度结构光图案至被测物体表面；
具体的，灰度结构光图案包括三步相移图案与二值格雷码编码图案，三步相移图案包括I1、I2、I3，周期为64，二值格雷码编码图案共6幅(GC1、GC2、GC3、GC4、GC5、GC6)，各条纹图分别用以下公式表示：
Figure BDA0004060605560000102
/>
其中，A(x,y)为背景光强，B(x,y)为条纹图案调制度，
Figure BDA0004060605560000103
表示携带物体面形信息的相位。
二值格雷码编码图案(GC1、GC2、GC3、GC4、GC5、GC6)穿插排列在每组三步相移图案中，生成的序列S如图3所示，可表示为：
S＝I1I2I3GC1；I1I2I3GC2；I1I2I3GC3；I1I2I3GC4；I1I2I3GC5；I1I2I3GC6；I1I2I3GC1；I1I2I3GC2；...
S3，彩色相机采集经过鞋垫表面调制的灰度结构光图案，利用调制度得到相移图案中的纹理图案；
具体的，投影的灰度结构光图案经被鞋垫表面调制而变形，通过高速彩色相机同步拍摄变形的序列图。使用调制度得到每一组条纹图I1I2I3中的纹理图像：
Figure BDA0004060605560000111
其中，(x,y)表示二维图像坐标，I1I2I3表示某时刻三步相移图案。
S4，计算消隐系数与提取系数，获得消隐结构光图案与提取纹理图案；
具体的，在调制度得到的纹理图案中获得物体表面红绿蓝三通道值Ibr，Ibg和Ibb及物体表面标记点红绿蓝三通道强度Itr，Itg和Itb，σK表示转换后总噪声大小，Im表示转换后图像灰度值，选择Im/σK最大值下的K1，K2，K3作为最终的消隐系数。消隐系数优化提取公式如下：
Figure BDA0004060605560000112
其中，σr,σg,σb分别表示调制度提取得到的纹理图案中红、绿、蓝通道的噪声大小。
提取系数计算步骤为，选择转换后的灰度图中，ΔI为提取系数转换后标记点与背景强度的差异值，σT表示转换后总噪声大小，选择ΔI/σT最大值下的T1，T2，T3作为最终的提取系数。提取系数优化计算公式如下：
Figure BDA0004060605560000113
所有彩色灰度结构光图案的红绿蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数K1，K2，K3获得消隐条纹图像，所有彩色纹理图案的红绿蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数T1，T2，T3获得提取纹理图像。
标记点消隐灰度结构光图案及提取纹理图案如图4所示。
S5，利用条纹图案重建三维形貌，利用标记点图案实现三维形变追踪；
具体的，利用提取得到的高质量条纹图重建被测表面三维形貌，利用提取得到的高对比度标记点图案通过数字图像相关技术完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。
进一步的，所述三维形变信息获取步骤为：
将重建三维信息划分为UVW三个方向，UVW形变计算公式为：
Figure BDA0004060605560000121
其中，x、y为二维图像坐标，X、Y、Z为参考图像与变形图像对应二维点的三维世界坐标。
三维形貌、形变结果图如图5所示。
实施例3
如图6所示，一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，以及与所述至少一个处理器通讯连接的至少一个输入输出接口；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在被测物体表面制作彩色标记点；
S2：投影灰度结构光图案至所述被测物体表面；
S3：采集经过所述被测物体表面调制的结构光图案，获取所述被测物体表面的纹理图案；
S4：分别提取所述纹理图案中背景和所述彩色标记点的红绿蓝三通道强度值，基于所述彩色标记点和所述背景的红绿蓝三通道强度值分别计算消隐系数与提取系数，并且通过所述结构光图案的红绿蓝三通道强度值与所述消隐系数相乘提取得到条纹图案，通过所述纹理图案的红绿蓝三通道强度值与所述提取系数相乘提取得到标记点图案；
S5：利用所述条纹图案重建三维形貌，利用所述标记点图案完成前后三维点云关联，对应坐标点进行点对点三维坐标相减获取三维形变信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：以所述彩色标记点的强度调制来表征反射率，以颜色空间下的所述被测物体表面与所述彩色标记点的欧式距离表示物体和所述彩色标记点的颜色差异，通过边界约束多参数优化求强度调制与颜色差异。
3.根据权利要求2所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，基于下式计算所述强度调制与颜色差异：
Figure QLYQS_1
其中，Itr，Itg，Itb分别表示所述彩色标记点的红、绿、蓝三通道强度值，Ibr，Ibg，Ibb分别表示背景的红、绿、蓝三通道强度值，MI表示所述彩色标记点的强度调制，DC表示颜色空间下的物体与所述彩色标记点的欧式距离，通过边界约束多参数优化能够求出同时保证MI和DC尽可能大的最优散斑颜色。
4.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述灰度结构光图案，利用投影仪以灰度模式依次投影至所述被测物体表面，用于重建所述被测物体表面的三维形貌分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S3中的获取所述被测物体表面的纹理图案，利用下式调制度公式获得纹理图案：
Figure QLYQS_2
其中，(x,y)表示二维图像坐标，I1I2I3表示某时刻三步相移图案。
6.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过下式计算所述消隐系数：
Figure QLYQS_3
其中，σK表示转换后总噪声大小，Im表示转换后图像灰度值，选择Im/σK最大值下的K1，K2，K3作为最终的消隐系数，σr,σg,σb分别表示调制度提取得到的纹理图案中红、绿、蓝通道的噪声大小。
7.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过下式计算所述提取系数：
Figure QLYQS_4
其中，ΔI为提取系数转换后标记点与背景强度的差异值，σT表示转换后总噪声大小，选择ΔI/σT最大值下的T1，T2，T3作为最终的提取系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S4中提取条纹图案为：所有彩色结构光图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上消隐系数K1，K2，K3获得所述条纹图像；
提取标记点图案为：所有彩色纹理图案的红、绿、蓝三通道强度值分别对应乘上提取系数T1，T2，T3获得所述标记点图案。
9.根据权利要求1所述的一种基于标记点消隐与提取的三维形貌、形变测量方法，其特征在于，所述步骤S5中三维形变信息获取，将重建三维信息划分为UVW三个方向，UVW形变计算公式为：
Figure QLYQS_5
其中，x、y为二维图像坐标，X、Y、Z为参考图像与变形图像对应二维点的三维世界坐标。
10.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至9中任一项所述的方法。
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