專利名稱：一種彩色復合光柵的三維面形測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于三維數(shù)字成像技術，具體涉及一種彩色復合光柵的三維面形測量方法。
背景技術：
光學三維測量具有非接觸、測量效率高、精度高等優(yōu)點，廣泛應用于機器視覺、工 業(yè)檢測、生物醫(yī)學、文物保護、反求工程等領域。光學三維測量技術分為主動三維傳感和被 動三維傳感。主動三維傳感中的傅里葉變換輪廓術由于其全場性、非接觸性、具有較高的測 量精度和測量效率而得到了廣泛關注。它通過向被測物體投射一幅光強呈正弦變化的條紋 圖，形成面結構光照明，一次測量即可得到完整的物體三維面形。但由于反三角函數(shù)的使 用，使得計算出的相位值在-n和n之間發(fā)生了截斷，對表面具有較大起伏的物體很難進 行相位展開。對此，人們做了大量的研究并提出了包括基于調(diào)制度的相位展開算法、最小二 乘法、時間相位展開算法、洪水算法等，在一定程度上解決了相位展開的難題。因此，如何對 不連續(xù)三維物體進行正確的相位展開以及防止誤差傳播仍然是傅里葉變換輪廓術的難點 與研究熱點。 如中國發(fā)明專利CN200410094143. X公開了一種利用復合編碼實現(xiàn)多分辨三維數(shù) 字成像的方法，即，基于點陣投影和條紋投影相結合的三維數(shù)字化技術。該方法采用數(shù)字投 影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構成的成像裝置。以發(fā)射器出瞳、圖像傳感接 收器入瞳與光場中心形成三角測量系統(tǒng)；首先，利用點陣投影三維數(shù)字成像沒有相位模糊 的特點，以點陣編碼獲取物體的較低分辨率的三維深度像，再投射條紋到物體表面，利用空 間相位調(diào)制精度高的特點，結合已經(jīng)獲得的物體低分辨深度像進行相位展開，進一步獲取 被測物體更精細的多分辨三維數(shù)字像。本發(fā)明結合了點陣投影和條紋投影兩種不同編碼方 式的三維數(shù)字成像方法的優(yōu)點，三維數(shù)字成像精度高，對拓撲復雜的曲面有較強的普適性。 但是，該方法需要多次投影不同疏密程度的二維數(shù)字點陣圖像，二維數(shù)字點陣圖像和正弦 條紋圖像也需要分別進行投射，并且在后續(xù)處理過程中，需要計算處理前述多次投影得到 的多幅圖像數(shù)據(jù)，因而大大降低了測量效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高三維面形測量方法的測量效率，提供了一種彩色復合光 柵的三維面形測量方法。 本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)一種彩色復合光柵的三維面形測量方法，其特征 在于，包括以下步驟 A.設置三角測量系統(tǒng)采用彩色數(shù)碼相機、彩色光柵投射器和圖像處理器組成的 成像裝置，使彩色光柵投射器的出瞳、彩色數(shù)碼相機的入瞳和光場中心處于同一平面內(nèi)構 成一個三角測量系統(tǒng)； B.投射彩色復合編碼圖像通過彩色光柵投射器向待測物體投射彩色復合編碼
3圖像，所述彩色復合編碼圖像的編碼方法為在R、 G、 B三色通道的其中一個通道中寫入均
勻排列的數(shù)字點陣圖像，在另兩個通道中分別寫入光強呈正弦變化的正弦條紋圖像和背景
光圖像，再將數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像合成為一幅彩色復合編碼圖像；
C.拍攝并分離經(jīng)被測物體反射后的彩色復合編碼圖像由彩色數(shù)碼相機拍攝經(jīng) 被測物體反射后的彩色復合編碼圖像，并將拍攝得到的反射后的彩色復合編碼圖像利用色 彩分離技術進行R、 G、 B三通道分離，獲得每個通道上的灰度圖像； D.相位展開預處理由數(shù)字點陣圖像所在通道獲得的反射后的數(shù)字點陣圖像計 算得到采樣點處的絕對相位值，由正弦條紋圖像所在通道獲得的反射后的正弦條紋圖像計 算得到截斷相位，由背景光圖像所在通道獲得的反射后的背景光圖像得到待測物體邊緣輪 廓； E.由截斷相位展開得到物體三維面形數(shù)據(jù)結合數(shù)字點陣圖像得到的采樣點處 的絕對相位值與背景光圖像得到的待測物體邊緣輪廓信息控制由正弦條紋圖像計算得到 的截斷相位展開，根據(jù)系統(tǒng)幾何參數(shù)進行仿射變換，得到被測物體表面三維面形數(shù)據(jù)。
可選擇的，在上述步驟C之后，還包括步驟 F.對正弦條紋圖像進行色彩校正，以消除彩色數(shù)碼相機和彩色光柵投射器引入的 光場非正弦性誤差。
可選擇的，在上述步驟C之后，還包括步驟 G.對R、G、B通道內(nèi)的數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像進行濾波或直方 圖均衡處理，用以去除環(huán)境和器件本身的噪聲，提高圖像對比度，獲得更佳的圖像質(zhì)量。
本發(fā)明的有益效果由于本發(fā)明將數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像復 合成一幅彩色復合編碼圖像，然后將該彩色復合編碼圖像單次投影到待測物體上，彩色數(shù) 碼相機拍攝一幀經(jīng)物體表面反射后的彩色復合編碼圖像即可分離獲得數(shù)字點陣圖像、正弦 條紋圖像和背景光圖像，分別計算可得到物體表面采樣點處絕對相位值、正弦條紋圖像的 截斷相位和待測物體的輪廓信息。根據(jù)采樣點處的絕對相位值和物體輪廓信息可以控制截 斷相位進行相位展開得到物體三維面形數(shù)據(jù)。利用該方法進行物體三維面形測量僅需投射 和采集一幀圖像，提高了測量效率，能夠?qū)討B(tài)物體實現(xiàn)高速實時測量。


圖1是本發(fā)明的主流程圖。 圖2是本發(fā)明的測量裝置的結構示意圖。 圖3是本發(fā)明投射的彩色復合編碼圖像的生成示意圖。 圖4是采用本發(fā)明對一個實體模型實際測量時投射的彩色復合編碼圖像。 圖5是本發(fā)明圖4中分離得到的R通道的變形后的數(shù)字點陣圖像。 圖6是本發(fā)明圖4中分離得到的G通道的變形后的正弦條紋圖像。 圖7是本發(fā)明圖4中分離得到的B通道的背景光圖像。 圖8是本發(fā)明根據(jù)圖6中變形后的正弦條紋圖像得到的截斷相位分布圖。 圖9是本發(fā)明根據(jù)圖7中的背景光圖像得到的石膏體模型邊緣輪廓。 圖10是本發(fā)明根據(jù)圖5中的變形后的數(shù)字點陣圖像測得的石膏體模型三維面形
數(shù)據(jù)分布圖。
圖11是本發(fā)明測量方法得到的實際測量結果的三維面形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。 如圖l所示，一種彩色復合光柵的三維面形測量方法，其特征在于，包括以下步 驟 A.設置三角測量系統(tǒng)采用彩色數(shù)碼相機、彩色光柵投射器和圖像處理器組成的 成像裝置，使彩色光柵投射器的出瞳、彩色數(shù)碼相機的入瞳和光場中心處于同一平面內(nèi)構 成一個三角測量系統(tǒng)。 如圖2所示，為本實施例的測量裝置的結構示意圖，其結構采用一臺彩色數(shù)碼相 機、一個彩色光柵投射器和圖像處理器組成成像裝置。彩色光柵投射器的出瞳E、彩色數(shù)碼 相機的入瞳B和光場中心0組成一個三角形且位于同一平面內(nèi)，投影光軸E0與成像光軸 B0夾角為e ， L。是出瞳E到參考平面光場中心的直線距離，d為出瞳E和入瞳B的直線距 離。在本例中彩色光柵投射器采用的是EMPSON EMP-S1數(shù)字微反射鏡器件(DMD)的數(shù)字投 影儀，分辨率800X600。彩色數(shù)碼相機采用的是Sony H2，選用分辨率為640 X 480。圖像處 理器采用的是處理器為AMD5200+，主頻2. 71GHz，內(nèi)存2G的電腦。 B.投射彩色復合編碼圖像通過彩色光柵投射器向待測物體投射彩色復合編碼 圖像，所述彩色復合編碼圖像的編碼方法為在R、 G、B三色通道的其中一個通道中寫入均 勻排列的數(shù)字點陣圖像，在另兩個通道中分別寫入光強呈正弦變化的正弦條紋圖像和背景 光圖像，再將數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像合成為一幅彩色復合編碼圖像。
本實施例中，如圖3所示，在R通道寫入均勻排列的數(shù)字點陣圖像，在G通道寫入 光強呈正弦變化的正弦條紋圖像，在B通道寫入背景光圖像，再將三通道編碼圖像合成為 一幅彩色編碼圖像。數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像可以在R、G、B三通道中任 意排列。 C.拍攝并分離經(jīng)被測物體反射后的彩色復合編碼圖像由彩色數(shù)碼相機拍攝經(jīng) 被測物體反射后的彩色復合編碼圖像，并將拍攝得到的反射后的彩色復合編碼圖像利用色 彩分離技術進行R、 G、 B三通道分離，獲得每個通道上的灰度圖像。 如圖4、5、6、7所示，用彩色CCD相機拍攝得到一幀經(jīng)物體表面調(diào)制的變形彩色復 合編碼圖像，用圖像處理器將獲得的彩色圖像進行R、 G、 B三通道分離，分別得到數(shù)字點陣 圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像。
0035] D.相位展開預處理由數(shù)字點陣圖像所在通道獲得的反射后的數(shù)字點陣圖像計 算得到采樣點處的絕對相位值，由正弦條紋圖像所在通道獲得的反射后的正弦條紋圖像計 算得到截斷相位，由背景光圖像所在通道獲得的反射后的背景光圖像得到待測物體邊緣輪 廓。 本實施例中，如圖5所示是由R通道得到的經(jīng)物體表面反射的變形數(shù)字點陣圖像。 事先在系統(tǒng)搭建完成后，對一個標準平面進行測試，即將待測標準平面沿垂直于彩色光柵 投射器光軸方向放置并且沿該光軸方向前后移動，由彩色光柵投射器向標準平面投射均勻 排列的數(shù)字點陣圖像。由彩色數(shù)碼相機拍攝記錄下各個采樣點在像平面上隨標準平面移動 的變化軌跡，而標準平面與參考平面的距離已知，可以建立采樣點在像平面上的重心坐標與標準平面上該采樣點與參考平面的距離關系查找表。根據(jù)圖5灰度值分布對圖像中的每 個采樣點進行求重心計算，得到每個采樣點對應的重心坐標。利用計算得到的采樣點重心 坐標在前述查找表中查找得到各個采樣點對應的與參考平面的距離，即該采樣點處物體高 度值。 本實施例中，如圖6所示，由G通道得到的經(jīng)物體表面反射后的正弦條紋圖像可表 示為， g(x， y) = R(x， y) [a+b cos4) (x， y)] (1) 式中R(x， y)為物體表面反射率，g(x， y)表示經(jīng)物體表面反射的變形正弦條紋圖
像強度，a為背景光強度，b/a表示條紋對比度，小(x，y)為經(jīng)物體表面調(diào)制的相位。對上式
表示的正弦條紋圖像進行傅里葉變換得到的頻譜分布可表示為 G (f ， y) = A (f ， y) +Q (f-f0， y) +Q* (f+f0， y) (2) 式中，Q(f-f。， y)是會S(x，:V)exp[W。"力]的傅里葉變換，*表示共軛。選擇合適
的窗口進行濾波可得到其基頻分量，再進行傅里葉逆變換可以計算得到光場的截斷相位分 布，結果如圖8所示，其中，x像素點和y象素點分別表示像素點的橫坐標和縱坐標。
本實施例中，如圖7所示是由B通道得到的背景光圖像。對該背景光圖像進行邊 緣檢測得到待測物體邊緣輪廓，結果如圖9所示。 E.由截斷相位展開得到物體三維面形數(shù)據(jù)結合數(shù)字點陣圖像得到的采樣點處 的絕對相位值與背景光圖像得到的待測物體邊緣輪廓信息控制由正弦條紋圖像計算得到 的截斷相位展開，根據(jù)系統(tǒng)幾何參數(shù)進行仿射變換，得到被測物體表面三維面形數(shù)據(jù)。
根據(jù)R通道得到的采樣點處絕對相位值，結合B通道得到的物體邊緣輪廓信息控 制G通道的截斷相位進行展開。當相位展開進行到由B通道得到的物體邊緣輪廓時，改變相 位展開路徑，繞過此處的物體邊緣輪廓線，相位展開路徑不直接穿過物體邊緣輪廓。當展開 進行到數(shù)字點陣圖像采樣點處時，將此處的相位展開值與采樣點絕對相位值進行比較。若 兩者差值在事先設定的允許范圍內(nèi)時則繼續(xù)展開，否則用該采樣點處的絕對相位值修正相 位展開值。當某一區(qū)域被物體輪廓線完全包圍，而此區(qū)域以外區(qū)域所有未被包圍點相位均 被展開時，以該被包圍區(qū)域內(nèi)的采樣點為起點對該區(qū)域內(nèi)部進行相位展開。最后，對物體邊 緣輪廓線上的點進行相位展開。 如上所述對所有數(shù)據(jù)點進行相位展開，由展開后的絕對相位分布根據(jù)成像系統(tǒng)幾 何參數(shù)計算出待測物體表面三維數(shù)據(jù)。如圖10是本實施例根據(jù)圖5中的變形后的數(shù)字點 陣圖像測得的石膏體模型三維數(shù)據(jù)分布圖，它由x采樣點、y采樣點和絕對相位①(單位為 弧度rad)構成三維空間坐標。如圖ll是本實施例測量方法得到的實際測量結果的三維面 形圖，它由它由x像素點、y像素點和高度(單位為毫米mm)構成三維空間坐標。
為了消除彩色數(shù)碼相機和彩色光柵投射器引入的光場非正弦性誤差，可選擇的， 在上述步驟C之后，還包括步驟 F.對正弦條紋圖像進行色彩校正，以消除光場引入的非正弦性誤差。其具體原理 為通過彩色光柵投射器向標準白色平板投射一系列事先已知的、不同灰度的均勻白色圖 像，用彩色數(shù)碼相機分別對其進行拍照。將R、G、B三通道進行色彩分離，分別得到三通道的 一系列灰度圖像。然后將各通道圖像的灰度級分別與事先設定的投影圖像的灰度級進行比
6較，得到彩色光柵投射器與數(shù)碼相機所組成的系統(tǒng)對各個不同設定灰度級的響應情況。根 據(jù)其響應規(guī)律對得到的彩色復合編碼圖像R、 G、 B三通道灰度圖像進行灰度級校正即色彩 校正，可以消除系統(tǒng)對不同灰度級非正弦性響應引入的誤差。
為了去除環(huán)境和器件本身的噪聲，可選擇的，在上述步驟C之后，還包括步驟
G.對R、G、B通道內(nèi)的數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像進行濾波或直方 圖均衡等處理，用以去除環(huán)境和器件本身的噪聲，提高圖像對比度，獲得更佳的圖像質(zhì)量。 在本步驟中，采用濾波窗口大小為5X5的均值濾波和直方圖均衡處理，對三個通道均收到 了較好的效果。 本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的 普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
一種彩色復合光柵的三維面形測量方法，其特征在于，包括以下步驟A.設置三角測量系統(tǒng)采用彩色數(shù)碼相機、彩色光柵投射器和圖像處理器組成的成像裝置，使彩色光柵投射器的出瞳、彩色數(shù)碼相機的入瞳和光場中心處于同一平面內(nèi)構成一個三角測量系統(tǒng)；B.投射彩色復合編碼圖像通過彩色光柵投射器向待測物體投射彩色復合編碼圖像，所述彩色復合編碼圖像的編碼方法為在R、G、B三色通道的其中一個通道中寫入均勻排列的數(shù)字點陣圖像，在另兩個通道中分別寫入光強呈正弦變化的正弦條紋圖像和背景光圖像，再將數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像合成為一幅彩色復合編碼圖像；C.拍攝并分離經(jīng)被測物體反射后的彩色復合編碼圖像由彩色數(shù)碼相機拍攝經(jīng)被測物體反射后的彩色復合編碼圖像，并將拍攝得到的反射后的彩色復合編碼圖像利用色彩分離技術進行R、G、B三通道分離，獲得每個通道上的灰度圖像；D.相位展開預處理由數(shù)字點陣圖像所在通道獲得的反射后的數(shù)字點陣圖像計算得到采樣點處的絕對相位值，由正弦條紋圖像所在通道獲得的反射后的正弦條紋圖像計算得到截斷相位，由背景光圖像所在通道獲得的反射后的背景光圖像得到待測物體邊緣輪廓；E.由截斷相位展開得到物體三維面形數(shù)據(jù)結合數(shù)字點陣圖像得到的采樣點處的絕對相位值與背景光圖像得到的待測物體邊緣輪廓信息控制由正弦條紋圖像計算得到的截斷相位展開，根據(jù)系統(tǒng)幾何參數(shù)進行仿射變換，得到被測物體表面三維面形數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種彩色復合光柵的三維面形測量方法，其特征在于，在上 述步驟C之后，還包括步驟F. 對正弦條紋圖像進行色彩校正，以消除彩色數(shù)碼相機和彩色光柵投射器引入的光場 非正弦性誤差。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種彩色復合光柵的三維面形測量方法，其特征在于，在上 述步驟C之后，還包括步驟G. 對R、G、B通道內(nèi)的數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像進行濾波或直方圖均 衡處理，用以去除環(huán)境和器件本身的噪聲，提高圖像對比度，獲得更佳的圖像質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種彩色復合光柵的三維面形測量方法。包括以下步驟A.設置三角測量系統(tǒng)；B.投射彩色復合編碼圖像通過彩色光柵投射器向待測物體投射彩色復合編碼圖像，所述彩色復合編碼圖像的編碼方法為在R、G、B三色通道的其中一個通道中寫入均勻排列的數(shù)字點陣圖像，在另兩個通道中分別寫入光強呈正弦變化的正弦條紋圖像和背景光圖像，再將數(shù)字點陣圖像、正弦條紋圖像和背景光圖像合成為一幅彩色復合編碼圖像；C.拍攝并分離經(jīng)被測物體反射后的彩色復合編碼圖像；D.相位展開預處理；E.由截斷相位展開得到物體三維面形數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果提高了測量效率，能夠?qū)討B(tài)物體實現(xiàn)高速實時測量。
文檔編號G01B11/24GK101788274SQ20101012714
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者宋雷, 岳慧敏 申請人:電子科技大學