一種適用于光亮表面的三維測(cè)量方法
【專利摘要】一種適用于光亮表面的三維測(cè)量方法，根據(jù)均勻光圖案合成的圖像和坐標(biāo)映射，自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，當(dāng)用于測(cè)量含有大范圍反射率變化的三維形貌時(shí)，對(duì)于反射率高的光亮區(qū)域，能避免圖像飽和，對(duì)于反射率低的黑暗區(qū)域，能保持較高信噪比，最終獲取清晰的條紋圖案圖像，準(zhǔn)確還原被測(cè)對(duì)象的三維形貌。
【專利說(shuō)明】
一種適用于光亮表面的三維測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量方法，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光方法是一種主動(dòng)式光學(xué)測(cè)量方法，其基本原理是由結(jié)構(gòu)光投射器向被測(cè)物 體表面投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面，并由圖像傳感器(如攝像機(jī))采集圖像，通過(guò)系統(tǒng)幾 何關(guān)系，利用三角原理計(jì)算得到物體的三維坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法以非接觸、全場(chǎng)掃描、精 度高、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、逆向工程(復(fù)雜自由曲面的數(shù)字化）、對(duì) 象識(shí)別、三維地圖構(gòu)建、生物醫(yī)學(xué)和文物保護(hù)等領(lǐng)域。
[0003] 但在測(cè)量含有光亮表面的金屬等材質(zhì)的物體的三維形貌時(shí)，由于其表面的反射率 變化較大，光強(qiáng)變化的范圍超出了傳統(tǒng)相機(jī)采用〇~255灰度值表示的動(dòng)態(tài)范圍。因此，經(jīng)被 測(cè)對(duì)象反射后的條紋圖案要么太亮導(dǎo)致圖像飽和，要么太暗導(dǎo)致相機(jī)不能成像。投射在這 些區(qū)域的條紋圖案將無(wú)法被正確解碼，導(dǎo)致難以對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。
[0004] 針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方法。有學(xué)者采用多曝光量的方法。 專利CN101865671A公開了一種解決黑白大反差被測(cè)對(duì)象的三維測(cè)量方法，分兩次設(shè)定光源 強(qiáng)度、相機(jī)曝光時(shí)間和增益值，分別對(duì)其表面的亮區(qū)域和暗區(qū)域做三維測(cè)量，然后對(duì)測(cè)量結(jié) 果按照預(yù)定閥值做篩選，最后得到被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)。但該方法并不適用于大范圍表面 反射率變化的被測(cè)對(duì)象，因?yàn)檫@需要使用更多不同的光源強(qiáng)度、相機(jī)曝光時(shí)間和增益值組 合來(lái)適應(yīng)不同反射率的表面區(qū)域。專利CN101694375A公開了一種將亮暗條紋投射與多曝光 時(shí)間采集圖像相結(jié)合以合成高動(dòng)態(tài)范圍條紋圖案圖像的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬等強(qiáng)反射表面 三維形貌測(cè)量。但這類采用多曝光量的方法對(duì)于未知場(chǎng)景，通常無(wú)法在測(cè)量初期直接確定 所需的光源強(qiáng)度、曝光次數(shù)和每次曝光的時(shí)間，一般依賴于經(jīng)驗(yàn)或盡可能曝光多次，具有一 定的盲目性，測(cè)量效率不高。有學(xué)者采用偏振片的方法，專利CN105066906A公開了一種快速 高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法，其在投影儀光軸和相機(jī)光軸上分別放置一塊偏振片，轉(zhuǎn)動(dòng)任意 一塊偏振片，將投影儀光軸和相機(jī)光軸之間的夾角調(diào)節(jié)為90度。利用偏振片濾除鏡面反射 的光，只讓漫反射的光進(jìn)入相機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。但對(duì)于金屬工件的表面來(lái)說(shuō)，漫反射的光 較弱，信噪比較低，將導(dǎo)致測(cè)量精度顯著降低;另外，加裝偏振片增加了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性。 還有學(xué)者采用向被測(cè)對(duì)象表面噴涂薄薄的抗反射涂層的方法，使表面的反射性質(zhì)變?yōu)槁?射，以利于結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量;但是，涂層的厚度和均勻程度的不確定性容易帶來(lái)測(cè)量誤差， 噴涂和清洗涂層也降低了測(cè)量效率。
[0005] 總之，目前在光亮表面的三維形貌測(cè)量方面還沒(méi)有一個(gè)較為完備的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)、高效、低成本的適用于光亮表 面的三維測(cè)量方法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 一種適用于光亮表面的三維測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0009] S10:向被測(cè)對(duì)象投射一系列灰度值不同的均勻光圖案Li，i = 1，2，…，n，并相應(yīng)拍 攝被測(cè)對(duì)象的均勻光圖像Ii，i = 1，2，…，η;
[0010] S20:計(jì)算與均勻光圖像Ii對(duì)應(yīng)的掩碼圖像Mi(x，y);
[0011] S30:將掩碼圖像Mi(x，y)和均勾光圖案U合成圖像F(x，y);
[0012] S40:計(jì)算均勻光圖像^對(duì)應(yīng)的掩碼圖像M(x，y)，連接所有飽和的像素形成若干個(gè) 簇，并對(duì)這些簇提取輪廓；
[0013] S50:向被測(cè)對(duì)象投射一套黑白條紋圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的條紋圖像Iic，i = 1，2，…，m，然后對(duì)其進(jìn)行解碼并得到碼字；
[0014] S60:使用步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)及周圍鄰域內(nèi)的若干點(diǎn)，及步驟S50得到的相 應(yīng)的碼字，來(lái)生成局部單應(yīng)性矩陣H;
[0015] S70:將步驟S30合成的圖像F(x，y)的坐標(biāo)映射為投影儀圖像坐標(biāo)，生成條紋圖案 的最佳投射灰度值Lp(u，v);
[0016] S80:使用步驟S70的最佳投射灰度值Lp(u，v)生成最佳灰度值條紋圖案，白條紋采 用最佳投射灰度值Lp(u，v)，黑條紋采用0灰度值，向被測(cè)對(duì)象投射所述最佳灰度值條紋圖 案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的最佳灰度值條紋圖像；
[0017] S90:對(duì)步驟S80中的最佳灰度值條紋圖像進(jìn)行解碼、求解三維坐標(biāo)和表面重建，還 原被測(cè)對(duì)象的三維形貌。
[0018] 本發(fā)明的適用于光亮表面的三維測(cè)量方法，根據(jù)均勻光圖案合成的圖像和坐標(biāo)映 射，自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，當(dāng)用于測(cè)量含有大范圍反射率 變化的三維形貌時(shí)，對(duì)于反射率高的光亮區(qū)域，能避免圖像飽和，對(duì)于反射率低的黑暗區(qū) 域，能保持較高信噪比，最終獲取清晰的條紋圖案圖像，準(zhǔn)確還原被測(cè)對(duì)象的三維形貌。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0020] (1)自適應(yīng):能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，適用于未 知場(chǎng)景，無(wú)需依賴經(jīng)驗(yàn)，減少人為干預(yù)，提高測(cè)量系統(tǒng)的智能。
[0021] (2)效率高:與采用多曝光量的技術(shù)相比，本發(fā)明只需采集少量圖像，耗時(shí)短，效率 尚。
[0022] (3)成本低：本發(fā)明的測(cè)量方法只需調(diào)節(jié)投射圖案的灰度值，無(wú)需增加額外的硬 件，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低。
[0023] 進(jìn)一步地，在步驟S10中，均勻光圖案U的灰度值依次增大。
[0024] 進(jìn)一步地，在步驟S20中，根據(jù)以下公式計(jì)算與均勻光圖像相應(yīng)的掩碼圖像姐(^ y)：
[0026]其中Ik(x，y)為均勻光圖像在像素位置(x，y)的灰度值。
[0027] 進(jìn)一步地，在步驟S20中，如果不存在Ii(x，y)，使Mi(x，y) = l，則重新執(zhí)行步驟S10。 [0028]進(jìn)一步地，在步驟S30中，根據(jù)以下公式將掩碼圖像MKxj)和均勻光圖案U合成圖 像F(x，y):
[0030] 其中U(x，y)是均勻光圖案U在像素位置(x，y)的灰度值。
[0031] 進(jìn)一步地，在步驟S40中，根據(jù)以下公式計(jì)算均勻光圖像^對(duì)應(yīng)的掩碼圖像M(x， y)：
[0033] 其中IiUd)為均勻光圖像在像素位置(x，y)的灰度值。
[0034] 進(jìn)一步地，在步驟S50中，所述黑白條紋圖案是一套基于線移方法的黑白條紋圖 案，其白條紋采用255灰度值，黑條紋采用0灰度值;解碼時(shí)，采用亞像素邊緣檢測(cè)算法。 [0035]進(jìn)一步地，在步驟S60中，使用步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)及周圍5X5鄰域內(nèi)的若 干點(diǎn)，及步驟S50得到的相應(yīng)的碼字，來(lái)生成局部單應(yīng)性矩陣H。
[0036]進(jìn)一步地，在步驟S70中，根據(jù)以下公式將步驟S30合成的圖像F(x，y)的坐標(biāo)映射 為投影儀圖像坐標(biāo)，生成條紋圖案的最佳投射灰度值Lp(u，v):
[0038]進(jìn)一步地，采用線移方法和亞像素邊緣檢測(cè)算法對(duì)步驟S80中的最佳灰度值條紋 圖案和最佳灰度值條紋圖像分別進(jìn)行編碼和解碼。
[0039]為了更好地理解和實(shí)施，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
【附圖說(shuō)明】
[0040]圖1是本發(fā)明的步驟S50、S80和S90中采用線移方法進(jìn)行編碼的示意圖；
[0041 ]圖2是本發(fā)明的被測(cè)對(duì)象鋁合金工件的示意圖；
[0042] 圖3是通過(guò)本發(fā)明的步驟S10、S20、S30得到合成圖像F(x，y)的過(guò)程示意圖；
[0043] 圖4是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法與本發(fā)明的方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 本發(fā)明的適用于光亮表面的三維測(cè)量方法的主要步驟可簡(jiǎn)要?dú)w納如下：
[0045] 步驟1:向被測(cè)對(duì)象投射一系列灰度值不同的均勻光圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的 均勻光圖像。
[0046] 步驟2:計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，生成最佳灰度值條紋圖案。
[0047] 步驟3:向被測(cè)對(duì)象投射該最佳灰度值條紋圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的最佳灰度 值條紋圖像。
[0048]步驟4:對(duì)該最佳灰度值條紋圖像進(jìn)行解碼、求解三維坐標(biāo)和表面重建，恢復(fù)被測(cè) 對(duì)象的三維形貌。
[0049] 具體地，本發(fā)明的適用于光亮表面的三維測(cè)量方法包括以下步驟：
[0050] S10:向被測(cè)對(duì)象投射一系列灰度值不同的均勻光圖案U，i = 1，2，…，n，并相應(yīng)拍 攝被測(cè)對(duì)象的均勻光圖像I i，i = 1，2，…，η。在本實(shí)施例中，優(yōu)選η = 9，均勻光圖案L i采用的 灰度值依次增大，分別為20，50，80，110，140，170，200，230，255。為了降低環(huán)境光照和表面 互反射的影響，拍攝均勻光圖像1:的過(guò)程中，采用較小的光圈值，固定的曝光時(shí)間，并設(shè)置 相機(jī)增益為OdB。相機(jī)的曝光時(shí)間應(yīng)該設(shè)置為Ι/fp的整數(shù)倍秒，其中fp為投影儀的刷新率 (一般為60Hz)。這樣相機(jī)與投影儀能更好地同步。相機(jī)的曝光時(shí)間不宜設(shè)置得太大，否則會(huì) 極大地增加測(cè)量時(shí)間。
[0051] S20:根據(jù)公式（1)計(jì)算與均勻光圖像相應(yīng)的掩碼圖像1(1，7)，在本實(shí)施例中，η =9〇
[0053]其中，Ik(x，y)表示所拍攝的均勻光圖像在像素位置(x，y)處的灰度值，Uxj)表 示在所有均勻光圖像中該像素位置(x，y)處的灰度值滿足不超過(guò)閾值248(采用8位的相機(jī)） 的條件下的最大值。考慮到圖像傳感器的噪聲，并預(yù)留一定的灰度值空間，避免由于噪聲使 圖像傳感器達(dá)到飽和，像素(x，y)的灰度值Ik(x，y)的閾值取為248(采用8位的相機(jī)），即像 素的灰度值一旦達(dá)到248則認(rèn)為該像素已經(jīng)飽和。
[0054]如果存在小于閾值248(采用8位的相機(jī)）的最大值Ii(x，y)，則取Mi(x，y) = l，表示 按照均勻光圖案U的灰度值進(jìn)行投射，所獲得的均勻光圖像在該像素位置(x，y)的灰度值 是有效的，且是最大值，取得最大的信噪比，因此該灰度值的最大值Mx，y)所對(duì)應(yīng)的均勻 光圖案U的灰度值就是該像素(x，y)位置的最佳投射灰度值。此最佳投射灰度值保證了最 大的信噪比，同時(shí)避免所拍攝的圖像出現(xiàn)飽和。如果不存在小于閾值248(采用8位的相機(jī)） 的灰度值Ik(x，y)，則表示將所有均勻光圖案1^按照步驟S10中的一系列灰度值投射在被測(cè) 對(duì)象后，都導(dǎo)致所拍攝的圖像在該像素位置(x，y)飽和。此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小光圈值、曝光時(shí)間 和相機(jī)增益，并重新執(zhí)行步驟S10,直至存在小于閾值248(采用8位的相機(jī)）的最大值Ux， y)，使Mi(x，y) = l〇
[0055] S30:根據(jù)公式(2)將掩碼圖像Mi(x，y)和均勻光圖案U合成圖像F(x，y)，在本實(shí)施 例中，n = 9。
[0057]其中Ldxj)是均勻光圖案U在像素位置(x，y)的灰度值。圖像合成方法基于掩碼 圖像Mi(x，y)提取均勾光圖案U的灰度值來(lái)合成圖像F(x，y)。由于Mi(x，y)是一個(gè)二值矩陣， 當(dāng)1(1，7) = 1，則均勻光圖案1^的灰度值是像素位置(1，7)處的最佳投射灰度值，可用于合 成圖像？(^7);當(dāng)1(^ 7)=0，則均勻光圖案1^的灰度值不用于合成圖像？(1，7)?？傊罱K 合成的圖像F(x，y)全部由不會(huì)導(dǎo)致所拍攝圖像飽和的最佳投射灰度值組成。
[0058]步驟S40:根據(jù)公式(3)計(jì)算均勻光圖像Ii對(duì)應(yīng)的掩碼圖像M(x，y)，連接所有M(x， y )= 〇的像素形成若干個(gè)簇，并對(duì)這些簇提取輪廓。一般地，每一個(gè)輪廓都由一組閉合的點(diǎn) 坐標(biāo)組成。在本實(shí)施例中，n = 9。
[0060]其中Ii(x，y)為均勻光圖像Ii在像素位置(x，y)的灰度值。
[0061]步驟S50:向被測(cè)對(duì)象投射一套黑白條紋圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的條紋圖像 1嚴(yán)，1 = 1，2，···，!!!。在本實(shí)施例中，優(yōu)選m=16,然后對(duì)其進(jìn)行解碼并得到碼字。具體地，該黑 白條紋圖案是一套基于線移方法的黑白條紋圖案，其白條紋采用255灰度值，黑條紋采用0 灰度值。解碼時(shí)，采用亞像素邊緣檢測(cè)算法。解碼后，步驟S40求取的掩碼M(x，y)=0表示像 素(x，y)已經(jīng)飽和，解碼所得的碼字無(wú)效;相反，掩碼M(x，y) = 255表示像素(x，y)解碼所得 的碼字有效。因此，步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)即含有效的碼字，這些點(diǎn)可以用來(lái)在步驟S60 中生成局部單應(yīng)性矩陣H。
[0062]步驟S60:使用步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)及周圍鄰域內(nèi)的若干點(diǎn)，及步驟S5得到 的相應(yīng)的碼字，來(lái)生成局部單應(yīng)性矩陣H。優(yōu)選地，該鄰域選取5X5,在其他實(shí)施方式中也可 選取3X3或7X7等鄰域。
[0063]步驟S70:根據(jù)公式(4)將步驟S30合成的圖像F(x，y)的坐標(biāo)(x，y)映射為投影儀圖 像坐標(biāo)(u，v)，生成條紋圖案的最佳投射灰度值Lp(u，v)。
[0065]步驟S80:使用步驟S70的最佳投射灰度值Lp(u，v)生成最佳灰度值條紋圖案，白條 紋采用最佳投射灰度值Lp(u，v)，黑條紋采用0灰度值，向被測(cè)對(duì)象投射所述最佳灰度值條 紋圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的最佳灰度值條紋圖像。
[0066]步驟S90:對(duì)步驟S80中的最佳灰度值條紋圖像進(jìn)行解碼、求解三維坐標(biāo)和表面重 建，還原被測(cè)對(duì)象的三維形貌。具體地，在條紋圖案編碼和解碼過(guò)程中，使用線移方法和亞 像素邊緣檢測(cè)算法，以提高解碼過(guò)程的魯棒性和空間的測(cè)量分辨率。后續(xù)的三角法求解三 維坐標(biāo)、表面重建等步驟均采用公知的方法。最終得到三維點(diǎn)云，恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的三維形 貌。
[0067] 具體地，在步驟S50、S80和S90中，條紋圖案的編碼和解碼分別采用線移方法和亞 像素邊緣檢測(cè)算法，而不是采用廣泛使用的相移方法，是由于相移方法存在局限性，該局限 性在于其解相過(guò)程依賴于條紋圖案圖像中各像素的絕對(duì)灰度值，導(dǎo)致其面臨圖像飽和、互 反射和噪聲靈敏度高等問(wèn)題。優(yōu)選地，本發(fā)明采用基于格雷碼的線移方法來(lái)生成黑白條紋 圖案，該圖案比余弦相移條紋圖案更可靠，特別是對(duì)于光亮表面的測(cè)量，因?yàn)樵搱D案只有兩 個(gè)灰度值(編碼為〇和1)而不是絕對(duì)灰度值需要被確定。而且，相對(duì)于像素的灰度值，黑白條 紋的邊緣在光殼表面能更好地保留，檢測(cè)邊緣所獲得的亞像素精度也能提尚測(cè)量的精度。
[0068]在具體實(shí)施中，可以采用如下線移方法來(lái)編、解碼條紋圖案。請(qǐng)參閱圖1，其為對(duì)寬 度為32像素的圖像平面采用線移方法進(jìn)行編碼的示意圖，圖1(a)中顯示的是格雷碼圖案， 圖1(b)中顯示的是線移圖案。對(duì)于水平方向分辨率為1024的投影儀來(lái)說(shuō)，首先投射8幅格雷 碼圖案，將測(cè)量區(qū)域分成256個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域包含4像素和唯一的8位格雷碼。然后，投 射寬度為4像素的線移圖案，移動(dòng)3次，每次移動(dòng)1像素。解碼時(shí)，首先檢測(cè)線移圖案的邊緣， 再匹配上邊緣所在子區(qū)域?qū)?yīng)的8位格雷碼值，就能為每條邊緣生成唯一的碼字。然后，結(jié) 合檢測(cè)到的邊緣在相機(jī)圖像坐標(biāo)系下達(dá)到亞像素精度的坐標(biāo)，得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)。在已標(biāo)定系統(tǒng) 參數(shù)的情況下，根據(jù)這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)和三角法原理，就能計(jì)算得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)相應(yīng)的三維坐標(biāo)。
[0069] 下面針對(duì)一具體的測(cè)量對(duì)象鋁合金工件，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體測(cè)量步驟和結(jié)果。
[0070] 請(qǐng)參閱圖2,其為本實(shí)施例的被測(cè)對(duì)象鋁合金工件的示意圖。請(qǐng)參閱圖3,其為本實(shí) 施例通過(guò)步驟S10、S20、S30得到合成圖像F(x，y)的過(guò)程示意圖。其中，圖3(a)和(b)中所示 的是步驟S10中，向被測(cè)對(duì)象投射的一系列灰度值為20，50，80，110，140，170，200，230，255 的均勻光圖案1^，1 = 1，2，一，9;圖3((：)中所示的是步驟510中，投射了均勻光圖案1^后相應(yīng) 拍攝的被測(cè)對(duì)象的均勻光圖像1:3 = 1,2,圖3(d)中所示的是步驟S20中的掩碼圖像姐 &，7)，1 = 1，2，一，9，其中，圖像中的白色區(qū)域表示姐(^7) = 1，即像素(^7)位置的最佳投 射灰度值就是對(duì)應(yīng)的均勻光圖案1^的灰度值，可用于合成圖像F(x，y);相反，黑色區(qū)域表示 即像素(x，y)位置對(duì)應(yīng)的均勻光圖案1^的灰度值不用于合成圖像F(x，y);圖3 (e)中所示的是步驟S30中，將Mi (X，y) = 1所對(duì)應(yīng)的最佳投射灰度值合成的圖像F (X，y)。
[0071] 請(qǐng)參閱圖4,其為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法與本發(fā)明的方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。其中，圖4 (a)、（b)、（c)是采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法對(duì)圖2所示的鋁合金工件的測(cè)量結(jié)果圖，具體地，圖4 (a)顯示的是投射了普通的垂直條紋圖案后，相機(jī)拍攝的被測(cè)對(duì)象的條紋圖像，圖4(b)顯示 了在更高頻率的條紋圖案投射下，工件中間區(qū)域的細(xì)節(jié)，圖4(c)顯示了最終生成的三維點(diǎn) 云?？梢钥闯觯捎脗鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法，拍攝時(shí)，由于工件中間區(qū)域太亮導(dǎo)致圖像飽和，解碼錯(cuò) 誤，以致表面重建后工件中間區(qū)域出現(xiàn)大面積的孔洞。相對(duì)的，圖4((1)、（幻、（〇是采用本發(fā) 明的方法對(duì)圖2所示的鋁合金工件的測(cè)量結(jié)果圖，具體地，圖4(d)顯示的是投射了最佳灰度 值條紋圖案后，相機(jī)拍攝的被測(cè)對(duì)象的最佳灰度值條紋圖像，圖4(e)顯示了在更高頻率的 最佳灰度值條紋圖案投射下，工件中間區(qū)域的細(xì)節(jié)，圖4(f)顯示了最終生成的三維點(diǎn)云?？?以看出，采用本發(fā)明的方法能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，對(duì) 于反射率較高的光亮區(qū)域，采用較低的灰度值進(jìn)行投射，拍攝時(shí)，工件中間區(qū)域不會(huì)太亮而 導(dǎo)致圖像飽和；另外，對(duì)于反射率較低的黑暗區(qū)域，則采用最大的灰度值去投射，保持了較 高的信噪比，因而能夠獲得清晰的條紋圖案圖像。后續(xù)也能夠?qū)@些條紋圖像正確地進(jìn)行 解碼并獲得更稠密的三維點(diǎn)云。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光方法相比，本發(fā)明的方法取得了更好的測(cè) 量結(jié)果。
[0072] 本發(fā)明的適用于光亮表面的三維測(cè)量方法，根據(jù)均勻光圖案合成的圖像和坐標(biāo)映 射，自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，當(dāng)用于測(cè)量含有大范圍反射率 變化的三維形貌時(shí)，對(duì)于反射率高的光亮區(qū)域，能避免圖像飽和，對(duì)于反射率低的黑暗區(qū) 域，能保持較高信噪比，最終獲取清晰的條紋圖案圖像，準(zhǔn)確還原被測(cè)對(duì)象的三維形貌。 [0073]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0074] (1)自適應(yīng):能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值，適用于未 知場(chǎng)景，無(wú)需依賴經(jīng)驗(yàn)，減少人為干預(yù)，提高測(cè)量系統(tǒng)的智能。
[0075] (2)效率高:與采用多曝光量的技術(shù)相比，本發(fā)明只需采集少量圖像，耗時(shí)短，效率 尚。
[0076] (3)成本低：本發(fā)明的測(cè)量方法只需調(diào)節(jié)投射圖案的灰度值，無(wú)需增加額外的硬 件，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低。
[0077] 本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對(duì)本發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明 的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā) 明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于包括W下步驟： S10:向被測(cè)對(duì)象投射一系列灰度值不同的均勻光圖案以，1 = 1，2，-，，11，并相應(yīng)拍攝被 測(cè)對(duì)象的均勻光圖像Ii，i = l，2,…，η; S20:計(jì)算與均勻光圖像li對(duì)應(yīng)的掩碼圖像Mi(x，y); S30:將掩碼圖像Mi(x，y)和均勻光圖案以合成圖像F(x，y); S40:計(jì)算均勻光圖像Ii對(duì)應(yīng)的掩碼圖像M(x，y)，連接所有飽和的像素形成若干個(gè)簇，并 對(duì)運(yùn)些簇提取輪廓； S50:向被測(cè)對(duì)象投射一套黑白條紋圖案，并相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的條紋圖像 /;'，i=== 1，2,...，m.然后對(duì)其進(jìn)行解碼并得到碼字； S60:使用步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)及周圍鄰域內(nèi)的若干點(diǎn)，及步驟S50得到的相應(yīng)的 碼字，來(lái)生成局部單應(yīng)性矩陣H; S70:將步驟S30合成的圖像F(x，y)的坐標(biāo)映射為投影儀圖像坐標(biāo)，生成條紋圖案的最 佳投射灰度值LP(u，v); S80:使用步驟S70的最佳投射灰度值LP(u，v)生成最佳灰度值條紋圖案，白條紋采用最 佳投射灰度值LP(u，v)，黑條紋采用0灰度值，向被測(cè)對(duì)象投射所述最佳灰度值條紋圖案，并 相應(yīng)拍攝被測(cè)對(duì)象的最佳灰度值條紋圖像； S90:對(duì)步驟S80中的最佳灰度值條紋圖像進(jìn)行解碼、求解Ξ維坐標(biāo)和表面重建，還原被 測(cè)對(duì)象的Ξ維形貌。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S10中， 均勻光圖案k的灰度值依次增大。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S20中， 根據(jù)W下公式計(jì)算與均勻光圖像Ii相應(yīng)的掩碼圖像Mi(x，y):其中Ik(x，y)為均勻光圖像在像素位置(x，y)的灰度值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S20中， 如果不存在Ii(X，y)，使Mi(X，y) = 1，則重新執(zhí)行步驟S10。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S30中， 根據(jù)W下公式將掩碼圖像Mi(x，y)和均勻光圖案以合成圖像F(x，y):其中k(x，y)是均勻光圖案k在像素位置(x，y)的灰度值。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S40中， 根據(jù)W下公式計(jì)算均勻光圖像Ii對(duì)應(yīng)的掩碼圖像M(x，y):其中Ii(x，y)為均勻光圖像Ii在像素位置(x，y)的灰度值。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S50中， 所述黑白條紋圖案是一套基于線移方法的黑白條紋圖案，其白條紋采用255灰度值，黑條紋 采用0灰度值;解碼時(shí)，采用亞像素邊緣檢測(cè)算法。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S60中， 使用步驟S40提取的輪廓上的點(diǎn)及周圍5X5鄰域內(nèi)的若干點(diǎn)，及步驟S50得到的相應(yīng)的碼 字，來(lái)生成局部單應(yīng)性矩陣H。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:在步驟S70中， 根據(jù)W下公式將步驟S30合成的圖像F(x，y)的坐標(biāo)映射為投影儀圖像坐標(biāo)，生成條紋圖案 的最佳投射灰度值LP(u，v):10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于光亮表面的Ξ維測(cè)量方法，其特征在于:采用線移方 法和亞像素邊緣檢測(cè)算法對(duì)步驟S80中的最佳灰度值條紋圖案和最佳灰度值條紋圖像分別 進(jìn)行編碼和解碼。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK106091986SQ201610402874
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】林輝, 高健, 王偉, 張觀錦
【申請(qǐng)人】韶關(guān)學(xué)院, 廣東工業(yè)大學(xué)