基于表面幾何特性的結構光重建顏色校正方法技術

基于表面幾何特性的結構光重建顏色校正方法，本發明專利技術涉及結構光顏色信息重建過程中的一種顏色校正方法。其步驟是：（ａ）利用結構光系統獲取被測表面采樣點的三維數據和顏色數據，依次將每個采樣點作為中心采樣點，根據中心采樣點和其鄰域內多個采樣點的三維數據擬合空間曲面，在其上過中心采樣點作切面。（ｂ）以切面表征表面局部幾何特性，針對切面作入射光強分析和反射光強分析，計算出中心采樣點的顏色校正系數。（ｃ）利用各中心采樣點的顏色校正系數校正顏色數據。本方法在結構光系統獲取三維數據和顏色數據的基礎上，直接根據三維數據分析表面幾何特性及其對顏色數據的影響，修正該影響，得到真實顏色信息。本方法在工業和民用領域有著廣闊的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及視覺測量與重建
，尤其涉及結構光顏色信息重建過程中的一種顏色校正方法。
技術介紹
在逆向工程、快速原形等領域，獲取物體三維信息和顏色信息進而完成物體表面 形狀和顏色的重建有著迫切的需求。視覺測量以圖像為基礎獲取物體三維信息和顏色信 息，是滿足上述需求最為有效的手段，具有非接觸、高效高速、高度自動化、低成本等優點， 可應用于醫學、考古、服裝、雕刻、汽車、家電等行業。視覺三維測量技術包括結構光、立體圖像、全息法、激光雷達等多種原理，其中結 構光法具有成本低、分辨率高和速度快的優勢并最具實用性。結構光法向物體投射光圖案， 采集編碼圖像后根據三角法得到物體表面三維坐標。在諸多三維數字化應用中除了對三維信息的需求還存在對顏色信息的需求。目前，一些研究機構對顏色信息獲取技術做出了研究。通常可將顏色獲取技術分 為掃描法和圖像法。掃描法投射不同波長的光條，分析反射光條的R、G、B分量值，從而獲取 光條上點的顏色信息，通過掃描完成全部顏色信息的獲取。圖像法在白光條件下拍攝物體 表面的彩色圖像，從像素中提取全部采樣點的顏色信息。在掃描法方面，加拿大NRCC研究中心研制的彩色激光三維掃描儀，分別投射R、G、 B激光光條，拍攝相應的分量灰度圖像，合成顏色信息。主要應用于考古學對化石表面的形 貌和顏色分析；日本Minoalta的Vi9i系列便攜式激光掃描儀，也采用類似的思路，在黑白 CCD前加裝旋轉陣列濾光片，分別采集濾光后的R、G、B分量。掃描法具有較高的準確度，但 每幅圖像只能獲取一個光條上的顏色信息。因此需要拍攝多幅圖像才能完成整體顏色信息 的采集，計算量龐大、效率較低。在圖像法方面，IBM技術中心采用五個位置各異的場景照明光源，分別采集五幅彩 色圖像。根據數據點在五幅圖像中不同的R、G、B值，結合投射方向對顏色信息進行修正；斯 坦福大學分別在開啟和關閉照明光源的情況下拍攝兩幅彩色圖像，結合表面粗糙度特性， 對顏色信息進行修正；天津大學拍攝物體的24位彩色圖像，直接在彩色圖像中提取采樣點 對應像素的顏色信息；專利200810052246. 8提供了一種雙攝像機顏色渲染方法，易于實現 且渲染準確度較高。圖像法減小了計算量，提高了效率，但均未考慮物體表面三維幾何特性 對成像顏色的影響，如何獲取真實顏色進行顏色重建成為需要解決的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對結構光顏色重建方法的不足，提供一種物體表面重建顏色 校正方法，基于表面的幾何特性進行光強分析、計算顏色校正系數，進而得到準確的被測表 面顏色信息。為實現上述目的，本專利技術的技術方案是提供一種，步驟包括1.利用結構光系統獲取被測表面采樣點的三維數據和顏色數據，依次將每個采樣 點作為中心采樣點，根據中心采樣點和其鄰域內多個采樣點的三維數據擬合空間曲面，在 空間曲面上過中心采樣點作切面。2.以切面表征被測表面局部幾何特性，針對切面作入射光強分析和反射光強分 析，進而計算出中心采樣點的顏色校正系數。 3.利用各中心采樣點的顏色校正系數校正其顏色數據。所述的，在第1步中，三維數據以 空間坐標(x，y，z)存儲、顏色數據以(R，G，B)值存儲。以空間坐標(x，y，z)存儲的三維信 息便于表面幾何特性分析，以(R，G，B)值存儲的顏色信息便于校正。所述的，在第1步中，中心采樣點 的領域定義為，與中心采樣點距離最小的4個采樣點。中心采樣點結合4個相鄰采樣點擬 合的空間曲面能夠準確地反映中心采樣點處的局部表面幾何特性。所述的，在第2步中，入射光強分 析為投影儀投射的光能總量一定，則單位面積上的入射光強與總投射面積成反比，總投射 面積與入射距離和入射角有關。在入射角確定的前提下，總投射面積與入射距離的平方成 正比，因此入射光強與入射距離的平方成反比；在入射距離確定的前提下，總投射面積與入 射角正弦值的平方成反比，因此入射光強與入射角正弦值的平方成正比。綜合考慮每個中 心采樣點切面的入射距離和入射角，可計算出入射光強校正系數。被測表面幾何特性變化 帶來了中心采樣點切面的入射距離和入射角變化，從而帶來了入射光強變化，導致了中心 采樣點的顏色信息受到入射光強變化的影響，上述分析可消除這種影響。所述的，在第2步中，反射光強分 析為被測表面反射至攝像機的反射光強符合朗伯(Lambert)模型。據此可計算每個中心 采樣點切面反射光強校正系數。被測表面幾何特性變化帶來了中心采樣點切面的反射角變 化，從而帶來了反射光強變化，導致了中心采樣點的顏色信息受到反射光強變化的影響，上 述分析可消除這種影響。所述的，在第2步中，中心采樣點 的顏色校正系數由入射光強校正系數和反射光強校正系數相乘得出。所述的，在第3步中，中心采樣點 的顏色數據(R，G，B)值與相應的顏色校正系數相乘，再線性拉伸到之間，得到校正后 的顏色數據。所述的入射距離為中心采樣點與投影儀鏡頭中心之間的距離；入射角為中心采樣 點和投影儀鏡頭中心連線與切面的夾角。有益效果1.本專利技術在結構光系統獲取三維數據和顏色數據的基礎上，直接根據三維數據分 析表面幾何特性及其對顏色數據的影響，進而修正該影響，得到校正的真實顏色信息。現有 的結構光系統以獲取物體三維信息為主要目的。隨著逆向工程需求的發展，結構光系統的 發展趨勢是，獲取物體三維信息的同時，獲取顏色信息進而完成物體表面形狀和顏色的重 建。目前，獲取顏色信息的手段主要有掃描法和圖像法，但均未考慮表面三維幾何特性對顏色信息的影響。為此，本專利技術在結構光系統的基礎上，提出了一種利用結構光系統獲取的 三維信息校正獲取的顏色信息的方法。該方法的優點在于①三維信息直接來源于結構光 系統而無需另外獲取；②被測表面三維幾何特性會對各局部的入射光強和反射光強產生影 響，該影響導致各局部的顏色信息失真。校正前的顏色信息的R、G、B分量誤差可達0. 3(R、 G、B分量的取值范圍在0到1之間)，校正后的顏色信息的R、G、B分量誤差均小于0. 02。 而人眼對R、G、B分量的分辨率約為0. 02，即人眼無法分辨校正后的顏色信息誤差，因而能 獲得良好的視覺效果。利用本方法獲取的顏色信息與實際被測表面趨于一致。2.本專利技術中三維數據以空間坐標(X，y，ζ)存儲，而不以極坐標等其它形式存儲， 便于確定中心采樣點及其臨域、便于擬合空間曲面；顏色數據以(R，G，B)值存儲，而不以 (H，S，I)值等其它形式存儲，便于通過顏色校正系數校正R、G、B分量而完成顏色信息的校 正，而無須分別考慮顏色信息的色調、飽和度、強度等。此外，根據被測表面某采樣點的三維 信息(x，y，z)，對應計算該點位于彩色圖像上的顏色信息(R，G，B)，整合即得到三維-顏色 信息(X，1, z-R, G，B)，便于完成物體表面形狀和顏色的重建。3.本專利技術選取與中心采樣點距離最小的4個采樣點作為中心采樣點的領域，優點 是①與中心采樣點距離最近的點能夠最準確地反映中心采樣點局部的三維幾何特性；② 如果選取的采樣點個數小于4，則不能完整地反映中心采樣點附近各方向的三維幾何特性； 如果選取的采樣點個數大于4，則擬合的曲面不僅僅反映中心采樣點局部三維幾何特性而 受其它局部影響。此外，選擇4采樣點降低了運算的復雜程度，加快了程序的運行速度。4.被測表本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于表面幾何特性的結構光重建顏色校正方法，其特征是：該方法包括步驟：（１）利用結構光系統獲取被測表面采樣點的三維數據和顏色數據，依次將每個采樣點作為中心采樣點，根據中心采樣點和其鄰域內多個采樣點的三維數據擬合空間曲面，在空間曲面上過中心采樣點作切面；（２）以切面表征被測表面局部幾何特性，針對切面作入射光強分析和反射光強分析，進而計算出中心采樣點的顏色校正系數；（３）利用各中心采樣點的顏色校正系數校正其顏色數據。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳海濱，于曉洋，王洋，
申請(專利權)人：哈爾濱理工大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]