專利名稱：一種提取物體三維表面輪廓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提取物體表面三維數(shù)據(jù)的方法，特別是關(guān)于一種在簡(jiǎn)易成像系統(tǒng)上提取物體三維表面輪廓的方法。
背景技術(shù)：
在質(zhì)量控制、機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)成像等技術(shù)領(lǐng)域，許多具體應(yīng)用都是基于提取物體的三維表面輪廓進(jìn)行的?，F(xiàn)有技術(shù)中提取物體三維表面輪廓的光學(xué)方法有基于激光的方法、云紋法、干涉法、攝影測(cè)量法和結(jié)構(gòu)光法等，通過(guò)上述方法雖然可以獲得高精度的表面輪廓，但是上述這些方法都需要使用投影儀或其他特定設(shè)備來(lái)提取三維表面輪廓，這樣不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且也提高了成本。
現(xiàn)有技術(shù)中還可以利用剪影或可見(jiàn)光圖像，準(zhǔn)確、全角度地提取物體三維表面輪廓，利用這兩種方法無(wú)需使用投影儀等額外設(shè)備，極大地簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng)，降低了成本。利用剪影獲取物體表面輪廓的方法采用了視覺(jué)外形技術(shù)作為核心算法，但是視覺(jué)外形技術(shù)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難；利用可見(jiàn)光圖像獲取物體表面輪廓的方法主要是采用若當(dāng)變換(Radon Transform)為核心算法,此類算法易于實(shí)現(xiàn),但是會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題1、此類算法要求所有的像素點(diǎn)全部參與反投影運(yùn)算，因此提取物體三維表面輪廓的速度非常慢；2、此類算法所采用的平行束反投影的方法與實(shí)際透鏡成像情況不符。而且，在提取可見(jiàn)光圖像中物體的邊界時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)采用二值化算法，此算法難以準(zhǔn)確地找到物體邊界，導(dǎo)致后續(xù)的輪廓提取產(chǎn)生誤差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在簡(jiǎn)易成像系統(tǒng)上快速、準(zhǔn)確且全角度地提取物體三維表面輪廓的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種提取物體三維表面輪廓的方法，其包括以下步驟1)設(shè)置一包括有一 (XD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉(zhuǎn)臺(tái)和一計(jì)算機(jī)的成像系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)臺(tái)中設(shè)置有控制器；2)將從成像系統(tǒng)中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區(qū)域的物體邊界；3)根據(jù)待處理圖像的大小得到物體的各個(gè)斷層圖像，并在各個(gè)斷層圖像上提取該層的表面輪廓，其包括以下步驟①在成像系統(tǒng)中定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和拍攝坐標(biāo)系；②選取待處理圖像的某一層，計(jì)算該層圖像上提取的物體邊界距離圖像中心線的距離；③進(jìn)行坐標(biāo)變換，即計(jì)算物體在各個(gè)成像角度時(shí)鏡頭光心在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及所有待處理圖像中物體邊界在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像；⑤通過(guò)步驟④在得到該層的邊界反投影圖像基礎(chǔ)上提取物體此層的邊界點(diǎn)坐標(biāo)；⑥利用濾波器對(duì)步驟⑤所得到的表面輪廓進(jìn)行平滑處理；⑦對(duì)待處理圖像的每一層重復(fù)步驟① ⑥，得到物體各個(gè)斷層的表面輪廓；4)將通過(guò)步驟3)所得的物體各個(gè)斷層的表面輪廓合并起來(lái)，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序?qū)⑦吔琰c(diǎn)按照搜索角度有序排列連接起來(lái)。
所述步驟2)包括以下步驟①依次從成像系統(tǒng)中讀取物體圖像并將其存儲(chǔ)成圖像序列，根據(jù)所需要提取物體表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍后得到待處理圖像，其中O < s < I ;②從待處理圖像中任意選取一幅圖像，通過(guò)手動(dòng)選擇需要提取物體三維輪廓的區(qū)域；③對(duì)每一幅待處理圖像在選定區(qū)域利用水平集算法提取物體選定區(qū)域的邊界。所述步驟3)中③進(jìn)行坐標(biāo)變換包括以下步驟①計(jì)算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；②通過(guò)坐標(biāo)變換公式將拍攝坐標(biāo)系中物體邊界的坐標(biāo)換算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。所述步驟3)中④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像的具體過(guò) 程為利用物體邊界坐標(biāo)和鏡頭光心坐標(biāo)確定一條反投影線，將所有待處理圖像的所有邊界的反投影線全部確定后，得到物體在某一層的邊界反投影圖像，所述反投影線與光線實(shí)際傳播路徑方向相反。所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用先提取最大連通區(qū)域，再逐角度搜索的方法。所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用直接逐角度搜索方法。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用了基于物體邊界反投影的方法，僅僅反投影位于物體邊界上的像素點(diǎn)，極大地減少了參與反投影運(yùn)算的數(shù)據(jù)量，因此成倍地加快了輪廓提取的速度。2、本發(fā)明由于利用水平集方法取代二值化方法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體邊界的提取，在參數(shù)選擇合適的情況下，能夠自動(dòng)識(shí)別物體邊界，即使是在光照不均勻的情況也能夠較好對(duì)物體的邊界進(jìn)行準(zhǔn)確提取，有效地減小了對(duì)物體表面輪廓提取的誤差。3、本發(fā)明由于采用非平行束反投影的方法，更加符合透鏡成像的物理規(guī)律。4、本發(fā)明對(duì)從成像系統(tǒng)中得到圖像進(jìn)行縮小處理，如果對(duì)將要提取的物體表面輪廓的精度要求不高，就可以通過(guò)將圖像縮小減少運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)一步加快提取表面輪廓的速度。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于快速獲取物體三維表面輪廓中。


圖I是本發(fā)明成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提取物體三維表面輪廓方法流程示意圖；圖3是本發(fā)明坐標(biāo)系統(tǒng)不意圖；圖4是本發(fā)明利用非平行束反投影獲取斷層圖像示意圖；圖5是本發(fā)明邊界反投影圖像狀態(tài)效果示意圖；圖6是本發(fā)明表面輪廓提取示意圖；圖7是本發(fā)明提取物體表面三維結(jié)果灰度效果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖I所示，本發(fā)明的三維表面簡(jiǎn)易成像系統(tǒng)包括一封裝在盒子中的(XD(電荷耦合器件)1，裝有CCDl的盒子前端旋設(shè)有一鏡頭2，鏡頭2的兩側(cè)設(shè)置有拍攝物體時(shí)供照明的兩光源3、4，兩光源3、4可以根據(jù)實(shí)際需要選用白光或單色光，鏡頭2正前方設(shè)置有一放置待成像物體的轉(zhuǎn)臺(tái)5，轉(zhuǎn)臺(tái)5中設(shè)置有一控制器(圖中未示出)，計(jì)算機(jī)6發(fā)送信號(hào)通過(guò)控制器控制待成像物體實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)軸360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)和上、下平移，在拍攝時(shí)根據(jù)實(shí)際需要選取待成像物體的旋轉(zhuǎn)角度間隔，即確定CCDl拍攝待成像物體的位置，CCDl將拍攝得到的物體圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)6進(jìn)行物體表面三維輪廓信息的提取。上述實(shí)施例中，光源的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況選擇使用若干個(gè)，只要能滿足在拍攝時(shí)物體所需要的光照條件即可。如圖I 2所示，本發(fā)明實(shí)施例采集待成像物體的圖像時(shí)，采用兩白光光源3、4照射到轉(zhuǎn)臺(tái)5上的待成像物體,待成像物體隨轉(zhuǎn)臺(tái)5選擇每隔5°沿同一方向旋轉(zhuǎn)(沿逆時(shí)針或沿順時(shí)針)即CCDl在待成像物體每轉(zhuǎn)動(dòng)5°時(shí)攝取物體的圖像，CCDl將拍攝得到的72幅物體圖像依次發(fā)送到計(jì)算機(jī)6，計(jì)算機(jī)6對(duì)獲取的物體圖像進(jìn)行表面三維輪廓信息提取的方法包括以下步驟 I、對(duì)得到的物體圖像利用水平集算法提取待處理圖像中選定區(qū)域的物體邊界。I)計(jì)算機(jī)6依次讀取72幅物體圖像并將其存儲(chǔ)成圖像序列，根據(jù)所需要提取的表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍后得到待處理圖像I，其中O < s彡I。例如讀取的原始圖像大小512X512，即表示此幅圖像由512行、512列像素點(diǎn)組成，將此幅圖像縮小到原始圖像的O. 5倍，則縮小后圖像的大小為256X256。上述圖像縮小可以采用現(xiàn)有技術(shù)中基于小波變換、基于離散余弦變換或基于降采樣(隔點(diǎn)抽樣)等圖像縮小方法，本實(shí)施中采用基于降采樣的圖像縮小方法，具體為對(duì)一維的512個(gè)像素點(diǎn)而言，采用降采樣的方法縮小O. 5倍是指抽取編號(hào)為1、3、5、7、……、511的共256個(gè)像素點(diǎn)，舍棄編號(hào)為偶數(shù)的像素點(diǎn)；對(duì)二維的512X512個(gè)像素點(diǎn)組成的圖像而言，采用此方法縮小O. 5倍是指抽取行列編號(hào)都為奇數(shù)的像素點(diǎn)，如(1，I )，( 1，3)等共256X256個(gè)像素點(diǎn)，即得到大小為256X256的圖像。2)從上述步驟I)中得到的待處理圖像I中任意選取一幅圖像，通過(guò)手動(dòng)選擇需要提取物體三維輪廓的區(qū)域R。從待處理圖像I中選取任意一幅圖像在計(jì)算機(jī)6上顯示出來(lái)，利用鼠標(biāo)在該圖像上選擇需要提取三維輪廓的區(qū)域R，此時(shí)記錄所選擇區(qū)域的坐標(biāo)，由于所有待處理圖像的大小都是相同的，例如256X256，所以根據(jù)所選擇區(qū)域的坐標(biāo)，可以得到在其它各幅圖像上該區(qū)域的位置。3)對(duì)每一幅待處理圖像I在選定區(qū)域R內(nèi)利用水平集算法提取物體選定區(qū)域的邊界，其中水平集算法采用的公式如下
權(quán)利要求
1.一種提取物體三維表面輪廓的方法，其包括以下步驟 1)設(shè)置一包括有一(XD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉(zhuǎn)臺(tái)和一計(jì)算機(jī)的成像系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)臺(tái)中設(shè)置有控制器； 2)將從成像系統(tǒng)中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區(qū)域的物體邊界； 3)根據(jù)待處理圖像的大小得到物體的各個(gè)斷層圖像，并在各個(gè)斷層圖像上提取該層的表面輪廓，其包括以下步驟 ①在成像系統(tǒng)中定乂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和拍攝坐標(biāo)系； ②選取待處理圖像的某一層，計(jì)算該層圖像上提取的物體邊界距離圖像中心線的距離； ③進(jìn)行坐標(biāo)變換，即計(jì)算物體在各個(gè)成像角度時(shí)鏡頭光心在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及所有待處理圖像中物體邊界在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； ④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像； ⑤通過(guò)步驟④在得到該層的邊界反投影圖像基礎(chǔ)上提取物體此層的邊界點(diǎn)坐標(biāo)； ⑥利用濾波器對(duì)步驟⑤所得到的表面輪廓進(jìn)行平滑處理； ⑦對(duì)待處理圖像的每一層重復(fù)步驟① ⑥，得到物體各個(gè)斷層的表面輪廓； 4)將通過(guò)步驟3)所得的物體各個(gè)斷層的表面輪廓合并起來(lái)，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序?qū)⑦吔琰c(diǎn)按照搜索角度有序排列連接起來(lái)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟2)包括以下步驟 ①依次從成像系統(tǒng)中讀取物體圖像并將其存儲(chǔ)成圖像序列，根據(jù)所需要提取物體表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍后得到待處理圖像，其中O < s彡I ; ②從待處理圖像中任意選取一幅圖像，通過(guò)手動(dòng)選擇需要提取物體三維輪廓的區(qū)域； ③對(duì)每一幅待處理圖像在選定區(qū)域利用水平集算法提取物體選定區(qū)域的邊界。
3.如權(quán)利要求I所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中③進(jìn)行坐標(biāo)變換包括以下步驟 ①計(jì)算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； ②通過(guò)坐標(biāo)變換公式將拍攝坐標(biāo)系中物體邊界的坐標(biāo)換算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。
4.如權(quán)利要求2所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中③進(jìn)行坐標(biāo)變換包括以下步驟 ①計(jì)算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； ②通過(guò)坐標(biāo)變換公式將拍攝坐標(biāo)系中物體邊界的坐標(biāo)換算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。
5.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像的具體過(guò)程為利用物體邊界坐標(biāo)和鏡頭光心坐標(biāo)確定一條反投影線，將所有待處理圖像的所有邊界的反投影線全部確定后，得到物體在某一層的邊界反投影圖像，所述反投影線與光線實(shí)際傳播路徑方向相反。
6.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用先提取最大連通區(qū)域，再逐角度搜索的方法。
7.如權(quán)利要求5所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用先提取最大連通區(qū)域，再逐角度搜索的方法。
8.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用直接逐角度搜索方法。
9.如權(quán)利要求5所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特征在于所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區(qū)域的邊界點(diǎn)采用直接逐角度搜索方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提取物體三維表面輪廓的方法，包括以下步驟1)設(shè)置包括有一CCD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉(zhuǎn)臺(tái)和一計(jì)算機(jī)的成像系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)中設(shè)置有控制器；2)將從成像系統(tǒng)中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區(qū)域的物體邊界；3)根據(jù)待處理圖像的大小得到物體的各個(gè)斷層圖像，并在各個(gè)斷層圖像上提取該層的表面輪廓；4)將通過(guò)步驟3)所得的物體各個(gè)斷層的表面輪廓合并起來(lái)，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序?qū)⑦吔琰c(diǎn)按照搜索角度有序排列連接起來(lái)。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于快速獲取物體三維表面輪廓中。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102869950SQ201180010668
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者白凈, 張舒, 陳頎瀟 申請(qǐng)人:清華大學(xué)