CN118071848B - 基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统 - Google Patents

基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及视觉传感器测量技术领域，具体涉及基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统，所述方法包括：获取相机图像和等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角；将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片；将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。本公开可以解决系统设备导致的捕获条纹图像各颜色通道灰度值不平衡和颜色耦合问题，提高成像质量，实现高速高精度三维测量。

Description

基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统
技术领域
本公开涉及视觉传感器测量技术领域，具体涉及基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统。
背景技术
结构光条纹投影编码可分为时间编码和空间编码两种。空间编码只需投影一幅图案就可以完成点的匹配，通常用于动态物体的测量，但是存在测量精度不高的缺点。时间编码需要投影多张图片共同确定点的位置，具有测量精度高的优势。但是由于速度的限制，往往只用于静态物体的测量；如何在满足高速测量的同时尽可能提高测量精度是目前研究的难点。
以颜色、几何图案、排列顺序等方式将编码信息编入投影图案，将目标物体分割为多个有唯一标识区域的空间编码方案是最为直观的只需投影一幅图像便可实现定位匹配的方法，例如将目标物体分割为多个有唯一标识区域的空间编码方案是最为直观的只需投影一幅图像便可实现定位匹配的方法。标识区域的唯一性可以通过颜色、几何图案、排列顺序等的差异化来实现。但是受制于识别窗口的大小和个数，以这种方式进行三维测量的重构精度较低，并且前期的编码和后续的解码过程十分繁琐。虽然彩色条纹的使用带来了更加丰富的数据信息，但是因颜色产生的诸多问题也随之引入。首先，相机拍摄到的颜色并不是纯色的。由于制造和技术的限制，LCD投影仪的滤光片无法完全阻隔其他颜色的光线，导致投影仪的单色光会在一定程度上包含其他颜色分量。同时，相机的R、G、B三通道传感元件的光谱有所重合，致使某一波长的光线可以同时激发彩色相机输出图像的多通道灰度值的响应。即使光源是单色光，相机也会在传感器的响应范围内接收到其他波长的光线，从而在照片中产生其他颜色分量，这会导致颜色分离难度加大并出错，另外，三通道灰度值的不平衡会造成重建结果失真，产生点云缺失、点云表面波浪等问题。
受相机和投影仪的分辨率、非线性误差等因素的影响，条纹交界处会出现颜色失真、色块交杂等问题。因此颜色分离时，提取出的条纹宽度不相等且边缘会出现部分杂色。然而，各颜色通道的灰度值并不一致，杂色的引入会导致灰度值的跳变，造成解相位误差。此外，高光和环境光等附加光线的存在也会干扰相机的感光过程，造成颜色失真、颜色串扰和解码出错等问题。不仅在颜色分离阶段影响分离结果，还会在造成解相位出错。最后，除了投影光还存在其他光线（例如环境光以及物体表面反射光）的干扰。这些附加光线会干扰相机的感光过程，导致数据出现偏差。彩色光源投影在物体上，经过在不同深度、形状的表面反射，会将本通道的颜色反射到相邻通道中，造成颜色串扰。
现有技术采用的编码方案都是将三幅正弦条纹按周期错开直接重叠在一起。不仅存在伽马问题，也会大幅激发相机对其它通道的颜色响应。这会急剧增加条纹分离的难度，而且使其无法分离干净。另外，后期的灰度校正可能会改变测量真实的数据，造成测量精度下降。还有些现有技术通过高速数字投影仪时序投影三个相移条纹，同时使用单色相机同步捕获相应的变形条纹，这样可以从源头上避免了颜色串扰且解决了各通道灰度不平衡的问题。但是此类方法仍然是利用高速设备分多次捕捉图像，对设备要求高，也存在不稳定的问题，并且颜色的引入似乎是不必要的。
发明内容
本公开提供一种基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法和系统，能够解决系统设备导致的捕获条纹图像各颜色通道灰度值不平衡和颜色耦合问题，提高成像质量，实现高速高精度三维测量。为解决上述技术问题，本公开提供如下技术方案：
作为本公开实施例的一个方面，提供基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，包括如下步骤：
获取相机图像和等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，使用三色响应系数比值调整编码RGB条纹的编码值以实现灰度平衡；
根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角；将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片；
将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。
可选地，在得到正弦相移条纹后，还包括如下步骤：
通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云。
可选地，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，包括：
所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的关系表示如下：
，，，其中、、分别表示相机图像中RGB三通道的条纹光强，、、分别表示投影图像中RGB三通道的条纹光强，且；得到的值作为三色响应系数比值，其中，为红光灰度值响应系数，为绿光灰度值响应系数，为蓝光灰度值响应系数。
可选地，根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，包括：
将具有水平方向偏振的绿色光和垂直方向偏振的红蓝光的透射光的灰度值相等，则有：
，
根据编码RGB条纹的灰度值以及三色响应系数比值，计算得到的值作为最佳偏振角。
可选地，RGB颜色空间到HSV颜色空间的转换公式：，
其中、、分别表示、、，，，，其中，Hue表示色相，Saturation表示饱和度，Value表示明度。
可选地，所述滤波处理通过巴特沃斯低通滤波器实现。
可选地，所述正弦相移条纹表示为：
，
其中，为经频域滤波得到的正弦条纹光强，表示背景光强，表示正弦相移条纹的调制度，表示正弦相移条纹的相位。
作为本公开实施例的另一个方面，提供基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统，包括彩色相机、投影仪、偏振片和计算机：
所述偏振片放置在所述彩色相机的镜头前；
所述计算机连接彩色相机和投影仪，并用于获取所述彩色相机拍摄的相机图像和投影仪投影的等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值；
所述计算机还用于根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片，以及，将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。
可选地，所述计算机还用于通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云。
相对于现有技术，本公开实施例可以很好地处理彩色条纹投影三维测量中的RGB三通道条纹灰度不平衡问题，消除三通道灰度值不平衡带来三维重建点云表面波浪问题；还可以提高成像质量，提高三维重建精度；另外，本公开实施例提出的二值条纹编码技术与二值-正弦条纹滤波技术，可以极大地减少颜色耦合与串扰带来的影响，提高分离条纹质量，只需投影一幅条纹图案即可实现三维测量，可用于高速测量。
附图说明
图1为实施例1中的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法的流程图；
图2为实施例1中基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法的另一流程图；
图3为实施例1中的方法与计算机编码进行三通道灰度平衡的条纹重建结果的对比图；
图4为实施例2中基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统原理图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
可以理解，本公开提及的上述各个方法实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。
实施例1
本实施例提供基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，如图1所示，包括如下步骤：
S10、获取相机图像和等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，使用三色响应系数比值调整编码RGB条纹的编码值以实现灰度平衡；
S20、根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角；将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片；
S30、将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。
基于上述步骤，本实施例可以实现很好地处理彩色条纹投影三维测量中的RGB三通道条纹灰度不平衡问题，消除三通道灰度值不平衡带来三维重建点云表面波浪问题。
作为一种优选的实施方式，在得到正弦相移条纹后，如图2所示，还包括如下步骤：
S40、通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云，其中，三维点云为目标物体表面三维坐标点的数据集，据此可获得被测目标的三维形貌信息和空间位置信息。
下面分别对本公开实施例的各步骤进行详细说明。
S10、获取相机图像和等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，使用三色响应系数比值调整编码RGB条纹的编码值以实现灰度平衡。
将三色二值条纹不同通道的相机颜色响应表示为：
，
其中，、(i=R,G,B)分别表示相机捕获的条纹光强和投影仪投射的条纹光强。表示常数系数，由光的反射、散射等因素影响。(j=r,g,b)表示相机传感器对不同颜色光子的响应效率。(i=R,G,B)表示相机对不同颜色光的灰度值转化比。
作为一种优选的实施方式，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，包括：
所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的关系表示如下：
，，，其中、、分别表示相机图像中RGB三通道的条纹光强，、、分别表示投影图像中RGB三通道的条纹光强，且；得到的值作为三色响应系数比值，其中，为红光灰度值响应系数，为绿光灰度值响应系数，为蓝光灰度值响应系数。
为了获得三色响应系数比值，只需投影等灰度值的三通道条纹，然后分别计算捕获图片与投影图片灰度值的比值。经过测试与计算得到的三色响应系数比值即可校正RGB三通道的灰度响应，并调整RGB三通道条纹的编码值使相机捕获到的RGB条纹成所需比例。
S20、根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角；将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片。
优选地，根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，包括：
将具有水平方向偏振的绿色光和垂直方向偏振的红蓝光的透射光的灰度值相等，则有：
，
根据编码RGB条纹的灰度值以及三色响应系数比值，可计算得到的值作为最佳偏振角。
这意味着只需在相机前放置一片与水平方向夹角为的偏振片即可使捕获照片的三通道灰度值平衡。
S30、将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。
优选地，RGB颜色空间到HSV颜色空间的转换公式：
，
其中、、分别表示、、，，，，其中，Hue表示色相，Saturation表示饱和度，Value表示明度。为了使分离的彩色条纹完整和准确，通过分别对处于不同曝光时间下的红绿蓝单色图片进行拍摄以及颜色分量分析，可以计算出不同曝光时间下的单色图片H值。单色图片的H值与曝光时间相关，即曝光时间决定了颜色的阈值。优选地，所述滤波处理通过巴特沃斯低通滤波器实现在频域中分析，经过滤波后图像的高频分量被滤去，只保留零频分量和部分低频分量。
优选地，所述正弦相移条纹表示为：
，
其中，为经频域滤波得到的正弦条纹光强，表示背景光强，表示正弦相移条纹的调制度，表示正弦相移条纹的相位。
为了验证采用本实施例中的方法进行三维重建的效果，对目标物体（本实施例中采用具有三维形状的面具作为目标物体）进行三维测量测试，将计算机编码进行三通道灰度平衡的条纹作为对照组。通过计算机编码进行三通道灰度平衡的条纹重建结果，如图3中的（b）所示，目标物体的三维点云出现了区域点云显著缺失的现象；而采用本实施例中的方法，如图3中的（a）所示为目标物体的三维点云，可以在一定程度上改善点缺失的问题。
实施例2
本实施例提供基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统，如图4所示，包括彩色相机、投影仪、偏振片和计算机：
所述偏振片放置在所述彩色相机的镜头前；
所述计算机连接彩色相机和投影仪，并用于获取所述彩色相机拍摄的相机图像和投影仪投影的等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值； 所述计算机还用于根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片，以及，将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码；
优选地，所述计算机还用于通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云，其中，三维点云为目标物体表面三维坐标点的数据集，据此可获得被测目标的三维形貌信息和空间位置信息。
其中，所述计算机还用于实现上述实施例1中的涉及到的步骤S10-S40中计算机可以实现的部分，本领域技术人员可以根据实际情况，用本实施例中的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统实现实施例1中的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法的任一可实现的方案。

Claims (7)

1.基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，彩色相机拍摄相机图像，投影仪投影等灰度值的RGB条纹的投影图像，其特征在于，包括如下步骤：
获取相机图像和等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值；
计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，包括：
所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的关系表示如下：
，，，其中、、分别表示相机图像中RGB三通道的条纹光强，、、分别表示投影图像中RGB三通道的条纹光强，且；得到的值作为三色响应系数比值，其中，为红光灰度值响应系数，为绿光灰度值响应系数，为蓝光灰度值响应系数；
根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角；将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片；
根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，包括：
将具有水平方向偏振的绿色光和垂直方向偏振的红蓝光的透射光的灰度值相等，则有：
，
根据编码RGB条纹的灰度值以及三色响应系数比值，计算得到的值作为最佳偏振角；
将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码。
2.如权利要求1所述的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，其特征在于，在得到正弦相移条纹后，还包括如下步骤：
通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云。
3.如权利要求1-2任一项所述的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，其特征在于，RGB颜色空间到HSV颜色空间的转换公式：，
其中、、分别表示、、，，，，其中，Hue表示色相，Saturation表示饱和度，Value表示明度。
4.如权利要求1-2任一项所述的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，其特征在于，所述滤波处理通过巴特沃斯低通滤波器实现。
5.如权利要求4所述的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码方法，其特征在于，所述正弦相移条纹表示为：
，
其中，为经频域滤波得到的正弦条纹光强，表示背景光强，表示正弦相移条纹的调制度，表示正弦相移条纹的相位。
6.基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统，其特征在于，包括彩色相机、投影仪、偏振片和计算机：
所述偏振片放置在所述彩色相机的镜头前；
所述计算机连接彩色相机和投影仪，并用于获取所述彩色相机拍摄的相机图像和投影仪投影的等灰度值的RGB条纹的投影图像，计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值；
计算所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的比值，得出投影仪到相机的三色响应系数比值，包括：
所述相机图像的灰度值和投影图像的灰度值的关系表示如下：
，，，其中、、分别表示相机图像中RGB三通道的条纹光强，、、分别表示投影图像中RGB三通道的条纹光强，且；得到的值作为三色响应系数比值，其中，为红光灰度值响应系数，为绿光灰度值响应系数，为蓝光灰度值响应系数；
所述计算机还用于根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，将偏振片调整为所述最佳偏振角，获取红绿蓝单色二值条纹图片，其中，红绿蓝单色二值条纹图片为RGB条纹投影到目标物体表面后被相机捕获的形变条纹图片，以及，将所述形变条纹图片从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间后进行滤波处理，得到正弦相移条纹以完成二值条纹的编码；
根据RGB三通道的编码RGB条纹的灰度值，计算出偏振成像用偏振片的最佳偏振角，包括：
将具有水平方向偏振的绿色光和垂直方向偏振的红蓝光的透射光的灰度值相等，则有：
，
根据编码RGB条纹的灰度值以及三色响应系数比值，计算得到的值作为最佳偏振角。
7.如权利要求6所述的基于相机颜色响应与偏振成像的二值条纹编码系统，其特征在于，所述计算机还用于通过解算出所述正弦相移条纹的相位计算空间点的位置，得到所述目标物体的三维点云。
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