一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法技術

本發明專利技術公開了一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，包括：設定圖像的飽和閾值；對于待測量的物體投影全白圖像并用相機采集圖像，改變投影圖像的灰度生成合適的光柵使相機圖像不存在飽和；投影經過初次調節的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位，利用相位完成過亮區域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配；投影圖像并用相機采集圖像，基于坐標匹配結果逐像素調節投影圖像灰度生成最終的自適應光柵圖；投影最終生成的光柵圖并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位；利用標定好的相機參數和求取的絕對相位，根據空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息。最終實現高動態性能的精確三維測量。

A high dynamic performance 3D measurement method based on adaptive grating projection

The invention discloses a high performance dynamic 3D measurement method based on grating projection adaptive, including: setting the saturation threshold of the image; for the object to be measured white image projection and camera image acquisition, gray change projection image to generate the appropriate grating so that the camera images are not saturated; after the initial adjustment of the projection grating and image acquisition, using phase shift method and gray code method to obtain the absolute phase, use phase completed, bright area camera image coordinates and image coordinates of the grating projection; projection image and camera image acquisition, coordinate matching results of pixel adjustment projection image gray generation adaptive raster map based on the ultimate figure and image acquisition; grating projection the generated, using phase shift method and gray code method to obtain the absolute phase; using the camera calibration and the absolute good For the phase, the three-dimensional coordinate information of the object is calculated according to the spatial intersection method. Accurate 3D measurements of high dynamic performance are finally achieved.

【技術實現步驟摘要】
一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法
本專利技術屬于三維信息重構的領域，具體涉及一種高動態性能的光柵投影三維測量方法。
技術介紹
光學三維測量技術能夠快速準確地獲取物體的三維數據，可用于三維模型重建、物體表面輪廓測量、工業環境中的尺寸和形位參數的檢測等，被廣泛應用于逆向工程、工業檢測、虛擬現實、文物保護和醫療診斷等領域。光柵投影三維測量是一種重要的光學三維測量技術，通過向物體表面投射正弦光柵，將物體表面的形狀信息調制在光柵之中，利用CCD相機獲取物體表面的光柵條紋圖像，并使用特定的條紋分析方法對圖像進行處理，提取其中的相位信息，從而獲取物體的三維信息。基于DLP(digitallightprocerssing)投影儀的數字光柵投影技術越來越多地應用于高質量的三維光學測量，但傳統的三維測量系統對待測物體有一定限制，要求物體表面有足夠的漫反射且不發生鏡面反射。高光物體會導致相機飽和，致使最終不能恢復出正確的相位信息和物體三維信息。而自適應的光柵投影系統可以較好地解決這一問題。自適應的光柵投影系統可以根據物體表面信息反饋準確生成相應的光柵條紋，對于過亮區域，調整與之相對應的投影區域的光柵的強度，使該區域最終都可以處于剛好不過曝的狀態，消除由于鏡面反射所造成的飽和現象，得到較好的測量結果。
技術實現思路
專利技術目的：針對現有技術的問題，本專利技術目的在于提供一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，通過根據待測物體自適應地生成光柵圖像，可以解決由于相機飽和所導致的相位誤差和測量誤差。技術方案：為了解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，包括如下步驟：(1)設定圖像的飽和閾值；(2)對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區域記為過亮區域，改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和，利用得到的灰度值生成經過初次調節的光柵；(3)投影經過初次調節的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位，利用相位完成過亮區域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配；(4)投影全白圖像并利用相機采集圖像，基于過亮區域的坐標匹配結果逐像素調節投影圖像的灰度，以消除圖像中存在的飽和，利用最終得到的灰度值生成最終的自適應光柵圖；(5)投影最終生成的光柵圖并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位；(6)利用標定好的相機參數和求取的絕對相位，根據空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息。作為優選，步驟(2)中利用二分法改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和。作為優選，步驟(2)中生成經過初次調節的光柵的方法為：Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))其中，Ii(u,v)為第i幅光柵圖像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)為設計的主值相位，為設計的第i幅光柵圖像的相移，IEND為能夠消除圖像中存在的飽和的灰度值。作為優選，步驟(3)中利用相位進行相機圖像坐標(x,y)及投影光柵圖像坐標(u,v)匹配的公式為：其中和為像素(x,y)豎直和水平方向的絕對相位，Nv和Nh分別為豎直和水平光柵圖像的條紋周期總數，W和H為光柵圖像的寬度和高度像素數。作為優選，步驟(4)中利用二分法逐像素調節投影圖像的灰度。作為優選，步驟(4)中生成最終的自適應光柵圖的方法為：Ii(u,v)＝MEND(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))其中，MEND為逐像素求得的能夠消除圖像中存在的飽和的灰度值矩陣。有益效果：本專利技術有效地解決了高反射率物體的三維測量問題，與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：1無需附加設備。相比其他某些解決此類問題的技術，本專利技術只需要傳統的光柵投影三維測量系統而不需要添加濾光片等設備。2方便高效。相比其他采用多重曝光或者多重光柵實現高動態性能測量的方法，本專利技術的步驟更為簡單快捷。得益于二分法的使用，本專利技術的過程中所需獲取圖像的數目要遠遠小于其他方法。3精確可靠。本專利技術采用生成自適應光柵的方法，可以精確實現像素級別的調整。二分法的應用避免了可能引入誤差的相機響應曲線的計算，同時可以實現快速的光柵準確調整。光柵圖片各像素獨立地調整，使得不同區域可以同時實現最優的調整。附圖說明：圖1是本專利技術整個過程的流程圖；圖2是二分法調整的流程圖；圖3是初次調整光柵強度的過程的相機采集圖像變化示例圖；圖4是逐像素調整光柵過程的相機采集圖像變化示例圖；圖5是逐像素調整光柵過程的光柵圖強度變化示例圖；圖6最終生成的光柵投影在金屬工件上后相機采集到的圖像；圖7是最終生成的點云圖像。具體實施方式：下面結合附圖及具體實施方式對本專利技術作進一步說明。在Windows操作系統下選用VisualStudio作為編程工具生成光柵，處理攝像機采集到的變形光柵以及對光柵做出相應的調整。該實例采用一個金屬工件作為被測物體，最終得到含有三維信息的比較精確的絕對相位分布，并生成三維數據。圖1是本專利技術整個過程的流程圖。本專利技術的測量范圍為投影儀的投影區域和攝像機的視野相重疊的部分，當物體表面位于測量范圍內時，光柵條紋可以投影到物體上，而投影的條紋圖像也可以同時被攝像機拍攝到。主要針對的對象是表面反射率變化較大的物體，由于反射率較大的變化，傳統的測量方法不能取得較好的結果。本專利技術為了解決反射率較大的物體拍攝圖像存在高亮飽和的問題，通過獲得合適的投影圖像灰度以生成合適的光柵使相機圖像不存在飽和，灰度值的獲取可使用二分查找、插值查找、斐波那契查找、順序查找等查找算法，這里僅展示二分法。圖2是二分法調整的流程圖。由于投影儀圖片灰度值是量化，二分法的使用可以較快地找到合適的數值。對于8-bit的投影圖片來說，最多8次即可找到合適的值。本專利技術實施例公開的一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，具體實施步驟如下：1設定圖像的飽和閾值T(對于8bit相機，圖像灰度范圍為0-255，保留5-10個灰度值進行計算，可將飽和閾值設為245-250)。2對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區域記為過亮區域(或稱為飽和區域、飽和像素區域)，利用二分法改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和，利用得到的灰度值生成經過初次調節的光柵。具體步驟如下：2.1引入IPro，IMAX＝255，IMIN＝0進行說明,IPro為所投影純色圖的灰度；2.2利用投影儀投影純色的灰度圖片(初始圖片為純白圖，即灰度值IPro＝255)，并利用相機采集圖像；2.3分析采集到的圖像的最大灰度值，如果出現飽和像素(初次投影純白圖時，記錄過亮區域S)，則將IMAX調整為IPro，將IPro調整為(IPro+IMIN)/2；如果沒有飽和像素，則將IMIN調整為IPro，將IPro調整為(IPro+IMAX)/2；2.4重復步驟1.2-1.3直到IMAX與IMIN相等，即可獲得合適的投影灰度值IEND；2.5利用IEND生成經過初次調節的光柵(分別生成水平光柵和豎直光柵)：Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))其中，Ii(u,v)為第i幅光柵圖像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：(1)設定圖像的飽和閾值；(2)對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區域記為過亮區域，改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和，利用得到的灰度值生成經過初次調節的光柵；(3)投影經過初次調節的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位，利用相位完成過亮區域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配；(4)投影全白圖像并利用相機采集圖像，基于過亮區域的坐標匹配結果逐像素調節投影圖像的灰度，以消除圖像中存在的飽和，利用最終得到的灰度值生成最終的自適應光柵圖；(5)投影最終生成的光柵圖并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位；(6)利用標定好的相機參數和求取的絕對相位，根據空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息。

【技術特征摘要】
1.一種基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：(1)設定圖像的飽和閾值；(2)對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區域記為過亮區域，改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和，利用得到的灰度值生成經過初次調節的光柵；(3)投影經過初次調節的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位，利用相位完成過亮區域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配；(4)投影全白圖像并利用相機采集圖像，基于過亮區域的坐標匹配結果逐像素調節投影圖像的灰度，以消除圖像中存在的飽和，利用最終得到的灰度值生成最終的自適應光柵圖；(5)投影最終生成的光柵圖并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對相位；(6)利用標定好的相機參數和求取的絕對相位，根據空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息。2.根據權利要求1所述的基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，步驟(2)中利用二分法改變投影圖像的灰度值以消除圖像中存在的飽和。3.根據權利要求2所述的基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，步驟(2)中，利用二分法改變投影圖像的灰度值的具體步驟為：a)引入IPro＝255，IMAX＝255，IMIN＝0進行說明，IPro為所投影純色圖的灰度；b)利用投影儀投影純色的灰度圖片，并利用相機采集圖像；c)分析采集到的圖像的最大灰度值，如果大于飽和閾值，則將IMAX調整為IPro，將IPro調整為(IPro+IMIN)/2；否則，將IMIN調整為IPro，將IPro調整為(IPro+IMAX)/2；d)重復步驟b-c直到IMAX與IMIN相等，即可獲得合適的投影灰度值。4.根據權利要求1所述的基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，步驟(2)中生成經過初次調節的光柵的方法為：Ii(u,v)＝IEND(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δi))其中，Ii(u,v)為第i幅光柵圖像在像素(u,v)位置的灰度值，i＝0,1,2,3，φ(u,v)為設計的主值相位，為設計的第i幅光柵圖像的相移，IEND為能夠消除圖像中存在的飽和的灰度值。5.根據權利要求1所述的基于自適應光柵投影的高動態性能三維測量方法，其特征在于，步驟(3)中利用相位進行相機圖像坐標(x,y)及投影光柵...

【專利技術屬性】
技術研發人員：達飛鵬，李韶旭，饒立，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32