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

背景技術(shù)：

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

光柵投影三維測量是一種重要的光學(xué)三維測量技術(shù)，通過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圖像進行處理，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)越來越多地應(yīng)用于高質(zhì)量的三維光學(xué)測量，但傳統(tǒng)的三維測量系統(tǒng)對待測物體有一定限制，要求物體表面有足夠的漫反射且不發(fā)生鏡面反射。高光物體會導(dǎo)致相機飽和，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確生成相應(yīng)的光柵條紋，對于過亮區(qū)域，調(diào)整與之相對應(yīng)的投影區(qū)域的光柵的強度，使該區(qū)域最終都可以處于剛好不過曝的狀態(tài)，消除由于鏡面反射所造成的飽和現(xiàn)象，得到較好的測量結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

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

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

(1)設(shè)定圖像的飽和閾值；

(2)對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區(qū)域記為過亮區(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)過初次調(diào)節(jié)的光柵；

(3)投影經(jīng)過初次調(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相位，利用相位完成過亮區(qū)域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配；

(4)投影全白圖像并利用相機采集圖像，基于過亮區(qū)域的坐標匹配結(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相位；

(6)利用標定好的相機參數(shù)和求取的絕對相位，根據(jù)空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息。

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)計的主值相位，為設(shè)計的第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)中利用相位進行相機圖像坐標(x,y)及投影光柵圖像坐標(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數(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量問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1無需附加設(shè)備。相比其他某些解決此類問題的技術(shù)，本發(fā)明只需要傳統(tǒng)的光柵投影三維測量系統(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現(xiàn)高動態(tài)性能測量的方法，本發(fā)明的步驟更為簡單快捷。得益于二分法的使用，本發(fā)明的過程中所需獲取圖像的數(shù)目要遠遠小于其他方法。

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

附圖說明：

圖1是本發(fā)明整個過程的流程圖；

圖2是二分法調(diào)整的流程圖；

圖3是初次調(diào)整光柵強度的過程的相機采集圖像變化示例圖；

圖4是逐像素調(diào)整光柵過程的相機采集圖像變化示例圖；

圖5是逐像素調(diào)整光柵過程的光柵圖強度變化示例圖；

圖6最終生成的光柵投影在金屬工件上后相機采集到的圖像；

圖7是最終生成的點云圖像。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。在Windows操作系統(tǒng)下選用Visual Studio作為編程工具生成光柵，處理攝像機采集到的變形光柵以及對光柵做出相應(yīng)的調(diào)整。該實例采用一個金屬工件作為被測物體，最終得到含有三維信息的比較精確的絕對相位分布，并生成三維數(shù)據(jù)。

圖1是本發(fā)明整個過程的流程圖。

本發(fā)明的測量范圍為投影儀的投影區(qū)域和攝像機的視野相重疊的部分，當(dāng)物體表面位于測量范圍內(nèi)時，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被攝像機拍攝到。主要針對的對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題，通過獲得合適的投影圖像灰度以生成合適的光柵使相機圖像不存在飽和，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。對于8-bit的投影圖片來說，最多8次即可找到合適的值。

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

1設(shè)定圖像的飽和閾值T(對于8bit相機，圖像灰度范圍為0-255，保留5-10個灰度值進行計算，可將飽和閾值設(shè)為245-250)。

2對于待測量的物體投影全白圖并利用相機采集圖像，將圖像中像素超過飽和閾值的區(qū)域記為過亮區(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進行說明,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，記錄過亮區(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)計的主值相位，為設(shè)計的第i幅光柵圖像的相移。

圖3展示了初次調(diào)整過程。

3投影經(jīng)過初次調(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相位，利用相位完成過亮區(qū)域的相機圖像坐標及投影光柵圖像坐標的匹配。具體步驟如下：

3.1投影儀投影經(jīng)過初次調(diào)節(jié)的橫光柵和縱光柵，利用相機采集對應(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行過亮區(qū)域S橫縱主值相位及絕對相位的求取，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利用絕對相位完成對于過亮區(qū)域的投影儀圖像和相機圖像的坐標匹配：

其中和為像素(x,y)豎直和水平方向的絕對相位，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數(shù)。

4投影全白圖像并利用相機采集圖像，利用二分法及坐標匹配結(jié)果完成對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進行說明，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仍不飽和，本步驟僅針對S區(qū)域內(nèi)部)，即I(x,y)＞T,如果該像素飽和，則將對應(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)部像素對應(yīng)的光柵強度進行了調(diào)整，S外部像素對應(yīng)的光柵強度仍保持初始值，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)整過程。圖5展示了對應(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相位。包括：

5.1投影儀投影經(jīng)過最終生成的自適應(yīng)光柵，利用相機采集對應(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行主值相位及絕對相位的求取，方法與步驟3中計算方法一致。

6利用標定好的相機參數(shù)和求取的絕對相位，根據(jù)空間交匯法計算出被測物體的三維坐標信息：

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

A_c[R_c T_c]是攝像機的內(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)對應(yīng)的三維坐標。

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

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