本發(fā)明屬于三維信息重構(gòu)的領(lǐng)域，具體涉及一種高動(dòng)態(tài)性能的光柵投影三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地獲取物體的三維數(shù)據(jù)，可用于三維模型重建、物體表面輪廓測(cè)量、工業(yè)環(huán)境中的尺寸和形位參數(shù)的檢測(cè)等，被廣泛應(yīng)用于逆向工程、工業(yè)檢測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、文物保護(hù)和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

光柵投影三維測(cè)量是一種重要的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，通過(guò)向物體表面投射正弦光柵，將物體表面的形狀信息調(diào)制在光柵之中，利用CCD相機(jī)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(duì)圖像進(jìn)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(digital light procerssing)投影儀的數(shù)字光柵投影技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于高質(zhì)量的三維光學(xué)測(cè)量，但傳統(tǒng)的三維測(cè)量系統(tǒng)對(duì)待測(cè)物體有一定限制，要求物體表面有足夠的漫反射且不發(fā)生鏡面反射。高光物體會(huì)導(dǎo)致相機(jī)飽和，致使最終不能恢復(fù)出正確的相位信息和物體三維信息。而自適應(yīng)的光柵投影系統(tǒng)可以較好地解決這一問(wèn)題。

自適應(yīng)的光柵投影系統(tǒng)可以根據(jù)物體表面信息反饋準(zhǔn)確生成相應(yīng)的光柵條紋，對(duì)于過(guò)亮區(qū)域，調(diào)整與之相對(duì)應(yīng)的投影區(qū)域的光柵的強(qiáng)度，使該區(qū)域最終都可以處于剛好不過(guò)曝的狀態(tài)，消除由于鏡面反射所造成的飽和現(xiàn)象，得到較好的測(cè)量結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明目的在于提供一種基于自適應(yīng)光柵投影的高動(dòng)態(tài)性能三維測(cè)量方法，通過(guò)根據(jù)待測(cè)物體自適應(yīng)地生成光柵圖像，可以解決由于相機(jī)飽和所導(dǎo)致的相位誤差和測(cè)量誤差。

技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于自適應(yīng)光柵投影的高動(dòng)態(tài)性能三維測(cè)量方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)定圖像的飽和閾值；

(2)對(duì)于待測(cè)量的物體投影全白圖并利用相機(jī)采集圖像，將圖像中像素超過(guò)飽和閾值的區(qū)域記為過(guò)亮區(qū)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(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵；

(3)投影經(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對(duì)相位，利用相位完成過(guò)亮區(qū)域的相機(jī)圖像坐標(biāo)及投影光柵圖像坐標(biāo)的匹配；

(4)投影全白圖像并利用相機(jī)采集圖像，基于過(guò)亮區(qū)域的坐標(biāo)匹配結(jié)果逐像素調(diào)節(jié)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(yīng)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(duì)相位；

(6)利用標(biāo)定好的相機(jī)參數(shù)和求取的絕對(duì)相位，根據(jù)空間交匯法計(jì)算出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息。

作為優(yōu)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(yōu)選，步驟(2)中生成經(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵的方法為：

I_i(u,v)＝I_END(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δ_i))

其中，I_i(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(shè)計(jì)的主值相位，為設(shè)計(jì)的第i幅光柵圖像的相移，I_END為能夠消除圖像中存在的飽和的灰度值。

作為優(yōu)選，步驟(3)中利用相位進(jìn)行相機(jī)圖像坐標(biāo)(x,y)及投影光柵圖像坐標(biāo)(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(duì)相位，N_v和N_h分別為豎直和水平光柵圖像的條紋周期總數(shù)，W和H為光柵圖像的寬度和高度像素?cái)?shù)。

作為優(yōu)選，步驟(4)中利用二分法逐像素調(diào)節(jié)投影圖像的灰度。

作為優(yōu)選，步驟(4)中生成最終的自適應(yīng)光柵圖的方法為：

I_i(u,v)＝M_END(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δ_i))

其中，M_END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：本發(fā)明有效地解決了高反射率物體的三維測(cè)量問(wèn)題，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1無(wú)需附加設(shè)備。相比其他某些解決此類問(wèn)題的技術(shù)，本發(fā)明只需要傳統(tǒng)的光柵投影三維測(cè)量系統(tǒng)而不需要添加濾光片等設(shè)備。

2方便高效。相比其他采用多重曝光或者多重光柵實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能測(cè)量的方法，本發(fā)明的步驟更為簡(jiǎn)單快捷。得益于二分法的使用，本發(fā)明的過(guò)程中所需獲取圖像的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方法。

3精確可靠。本發(fā)明采用生成自適應(yīng)光柵的方法，可以精確實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的調(diào)整。二分法的應(yīng)用避免了可能引入誤差的相機(jī)響應(yīng)曲線的計(jì)算，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速的光柵準(zhǔn)確調(diào)整。光柵圖片各像素獨(dú)立地調(diào)整，使得不同區(qū)域可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)整。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明整個(gè)過(guò)程的流程圖；

圖2是二分法調(diào)整的流程圖；

圖3是初次調(diào)整光柵強(qiáng)度的過(guò)程的相機(jī)采集圖像變化示例圖；

圖4是逐像素調(diào)整光柵過(guò)程的相機(jī)采集圖像變化示例圖；

圖5是逐像素調(diào)整光柵過(guò)程的光柵圖強(qiáng)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(jī)采集到的圖像；

圖7是最終生成的點(diǎn)云圖像。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。在Windows操作系統(tǒng)下選用Visual Studio作為編程工具生成光柵，處理攝像機(jī)采集到的變形光柵以及對(duì)光柵做出相應(yīng)的調(diào)整。該實(shí)例采用一個(gè)金屬工件作為被測(cè)物體，最終得到含有三維信息的比較精確的絕對(duì)相位分布，并生成三維數(shù)據(jù)。

圖1是本發(fā)明整個(gè)過(guò)程的流程圖。

本發(fā)明的測(cè)量范圍為投影儀的投影區(qū)域和攝像機(jī)的視野相重疊的部分，當(dāng)物體表面位于測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)被攝像機(jī)拍攝到。主要針對(duì)的對(duì)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(tǒng)的測(cè)量方法不能取得較好的結(jié)果。本發(fā)明為了解決反射率較大的物體拍攝圖像存在高亮飽和的問(wèn)題，通過(guò)獲得合適的投影圖像灰度以生成合適的光柵使相機(jī)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(diào)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(shù)值。對(duì)于8-bit的投影圖片來(lái)說(shuō)，最多8次即可找到合適的值。

本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種基于自適應(yīng)光柵投影的高動(dòng)態(tài)性能三維測(cè)量方法，具體實(shí)施步驟如下：

1設(shè)定圖像的飽和閾值T(對(duì)于8bit相機(jī)，圖像灰度范圍為0-255，保留5-10個(gè)灰度值進(jìn)行計(jì)算，可將飽和閾值設(shè)為245-250)。

2對(duì)于待測(cè)量的物體投影全白圖并利用相機(jī)采集圖像，將圖像中像素超過(guò)飽和閾值的區(qū)域記為過(guò)亮區(qū)域(或稱為飽和區(qū)域、飽和像素區(qū)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(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵。具體步驟如下：

2.1引入I_Pro，I_MAX＝255，I_MIN＝0進(jìn)行說(shuō)明,I_Pro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I_Pro＝255)，并利用相機(jī)采集圖像；

2.3分析采集到的圖像的最大灰度值，如果出現(xiàn)飽和像素(初次投影純白圖時(shí)，記錄過(guò)亮區(qū)域S)，則將I_MAX調(diào)整為I_Pro，將I_Pro調(diào)整為(I_Pro+I_MIN)/2；如果沒(méi)有飽和像素，則將I_MIN調(diào)整為I_Pro，將I_Pro調(diào)整為(I_Pro+I_MAX)/2；

2.4重復(fù)步驟1.2-1.3直到I_MAX與I_MIN相等，即可獲得合適的投影灰度值I_END；

2.5利用I_END生成經(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵(分別生成水平光柵和豎直光柵)：

I_i(u,v)＝I_END(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δ_i))

其中，I_i(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(shè)計(jì)的主值相位，為設(shè)計(jì)的第i幅光柵圖像的相移。

圖3展示了初次調(diào)整過(guò)程。

3投影經(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的光柵并采集圖像，利用相移法和格雷碼法求取絕對(duì)相位，利用相位完成過(guò)亮區(qū)域的相機(jī)圖像坐標(biāo)及投影光柵圖像坐標(biāo)的匹配。具體步驟如下：

3.1投影儀投影經(jīng)過(guò)初次調(diào)節(jié)的橫光柵和縱光柵，利用相機(jī)采集對(duì)應(yīng)的圖像；

3.2利用采集到的圖像，利用相移法公式和格雷碼法進(jìn)行過(guò)亮區(qū)域S橫縱主值相位及絕對(duì)相位的求取，其中，四步相移法公式為：

其中，I_i(x,y)為采集的第i幅圖像在像素(x,y)位置的灰度值。

格雷碼法將主值相位展開(kāi)如下：

其中k(x,y)為像素(x,y)所處的光柵條紋周期數(shù)；

3.3利用絕對(duì)相位完成對(duì)于過(guò)亮區(qū)域的投影儀圖像和相機(jī)圖像的坐標(biāo)匹配：

其中和為像素(x,y)豎直和水平方向的絕對(duì)相位，N_v和N_h分別為豎直和水平光柵圖像的條紋周期總數(shù)，W和H為光柵圖像的寬度和高度像素?cái)?shù)。

4投影全白圖像并利用相機(jī)采集圖像，利用二分法及坐標(biāo)匹配結(jié)果完成對(duì)于所投影圖像的逐像素調(diào)節(jié)，生成最終的自適應(yīng)光柵圖。具體步驟為：

4.1引入M(u,v)，M_MAX(u,v)＝255，M_MIN(u,v)＝0進(jìn)行說(shuō)明，M(u,v)為所投影圖像在像素(u,v)位置的灰度；

4.2利用投影儀投影圖像M(u,v)(初始圖片為純白圖，即灰度值M(u,v)＝255)，并利用相機(jī)采集圖像；

4.3分析采集到的圖像在各像素是否飽和(由于S以外區(qū)域在投影最高亮度時(shí)仍不飽和，本步驟僅針對(duì)S區(qū)域內(nèi)部)，即I(x,y)＞T,如果該像素飽和，則將對(duì)應(yīng)位置(u,v)的M_MAX(u,v)調(diào)整為M(u,v)，將M(u,v)調(diào)整為(M_MIN(u,v)+M(u,v))/2；如果該像素不飽和，則將對(duì)應(yīng)位置(u,v)的M_MIN(u,v)調(diào)整為M(u,v)，將M(u,v)調(diào)整為(M_MAX(u,v)+M(u,v))/2；

4.4重復(fù)步驟4.2-4.3直到M_MAX(u,v)與M_MIN(u,v)相等，即可獲得合適的投影灰度值M_END：

4.5利用M_END生成最終的自適應(yīng)光柵(S內(nèi)部像素對(duì)應(yīng)的光柵強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)整，S外部像素對(duì)應(yīng)的光柵強(qiáng)度仍保持初始值，即最大值255)：

I_i(u,v)＝M_END(u,v)(0.5+0.5cos(φ(u,v)+δ_i))

圖4展示了投影圖像的調(diào)整過(guò)程。圖5展示了對(duì)應(yīng)拍攝圖像的改變。

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展開(kāi)相位。包括：

5.1投影儀投影經(jīng)過(guò)最終生成的自適應(yīng)光柵，利用相機(jī)采集對(duì)應(yīng)的圖像；

5.2利用采集到的圖像，利用相移法公式和格雷碼法進(jìn)行主值相位及絕對(duì)相位的求取，方法與步驟3中計(jì)算方法一致。

6利用標(biāo)定好的相機(jī)參數(shù)和求取的絕對(duì)相位，根據(jù)空間交匯法計(jì)算出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息：

其中，(x,y)是相機(jī)圖像的像素坐標(biāo)，(u,v)是與之對(duì)應(yīng)的投影儀圖像的坐標(biāo)，

A_c[R_c T_c]是攝像機(jī)的內(nèi)外參矩陣，A_p[R_p T_p]是投影儀的內(nèi)外參矩陣，(X,Y,Z)為像素(x,y)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。

圖6最終生成的光柵投影在金屬工件上后相機(jī)采集到的圖像；圖7是最終生成的點(diǎn)云圖像。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。