一種自適應(yīng)條紋亮度的高動(dòng)態(tài)范圍三維形貌測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光學(xué)三維測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光自適應(yīng)調(diào)節(jié)投射條紋 圖案亮度實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍三維形貌測(cè)量方法，可用于金屬等光亮表面或表面反射率變化較 大的物體的三維形貌測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于面結(jié)構(gòu)光的條紋投影技術(shù)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)用于三維形貌測(cè)量領(lǐng)域，包括產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、逆向工程、文物保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等。但是， 這種技術(shù)在應(yīng)用中仍然存在一些問題，比如要求測(cè)量時(shí)環(huán)境光照限制在一定范圍內(nèi)，被測(cè) 對(duì)象必須是漫反射表面，且表面反射率變化范圍不大。然而，工業(yè)生產(chǎn)中有大量工件以銑削 加工為主，經(jīng)過加工處理后工件的表面會(huì)變得十分光亮，若直接對(duì)這種光亮表面進(jìn)行測(cè)量， 則鏡面反射之后的光會(huì)太強(qiáng)，以致相機(jī)圖像傳感器飽和，丟失條紋圖案圖像高光區(qū)域的條 紋信息，難以正常進(jìn)行測(cè)量;另一方面，由于相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍有限，對(duì)于反射率較低的區(qū)域， 則會(huì)造成條紋過暗，大幅降低測(cè)量精度。
[0003] 針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方法。傳統(tǒng)的方法一種是改為采用 接觸式測(cè)量，如用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量精度高，但需要逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量速度較慢;另一 種方法是在被測(cè)對(duì)象表面噴涂薄薄的抗反射涂層來改變表面的反射性質(zhì)，使其變?yōu)槁瓷?表面，然后再進(jìn)行測(cè)量。這種方法需要噴涂和清洗涂層，降低了測(cè)量效率;另外，涂層的厚度 和均勻程度取決于操作者或工作人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，也容易帶來測(cè)量誤差。
[0004] 針對(duì)強(qiáng)反射表面三維形貌測(cè)量，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。但這種采用多次曝光的技術(shù)對(duì)于未知場(chǎng)景，通常無法在測(cè)量初期直 接確定所需的曝光次數(shù)與每次曝光的時(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。專利CN104019767A公開了一種利用灰度直方圖來估算被測(cè)對(duì)象 所需的曝光次數(shù)和最佳曝光時(shí)間的方法，據(jù)此對(duì)被測(cè)對(duì)象分別進(jìn)行曝光，并獲得在不同的 最佳曝光時(shí)間下拍攝的圖像，然后將不同的最佳曝光時(shí)間下拍攝的圖像進(jìn)行融合，從而恢 復(fù)被測(cè)對(duì)象的三維形貌。由于灰度直方圖只是大致反映圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率，以此 來整體估算被測(cè)對(duì)象所需的曝光次數(shù)和最佳曝光時(shí)間，對(duì)于有些離散的像素點(diǎn)則可能出現(xiàn) 遺漏。專利CN103868472A公開了一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置與方法。 與一般的條紋投影技術(shù)直接采用數(shù)字投影儀不同，其設(shè)計(jì)了一個(gè)條紋圖案生成系統(tǒng)，投射 條紋亮度可以隨意調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種反光零件表面的測(cè)量。這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且條紋亮度 不能根據(jù)被測(cè)對(duì)象自適應(yīng)調(diào)節(jié)。所以，目前在高動(dòng)態(tài)范圍三維形貌測(cè)量方面還沒有一個(gè)較 為完備的解決方法，能夠根據(jù)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行自適應(yīng)測(cè)量的方法較為缺乏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光自適應(yīng)調(diào)節(jié)投射條紋圖案亮度實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范 圍三維形貌測(cè)量方法。該方法通過分析相機(jī)采集的均勻光圖像序列，逐像素自動(dòng)調(diào)節(jié)投射 條紋圖案的亮度，克服被測(cè)對(duì)象表面反射率變化較大引起的高光和黑暗，獲得清晰的條紋 圖案圖像，從而恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的三維形貌。
[0006] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 一種自適應(yīng)條紋亮度的高動(dòng)態(tài)范圍三維形貌測(cè)量方法，采用普通的數(shù)字投影儀， 簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確，能夠根據(jù)相機(jī)采集的均勻光圖像序列，逐像素自動(dòng)調(diào)節(jié)投射條紋圖案的 亮度，對(duì)于反射率較高的區(qū)域，降低投射的亮度，去除條紋圖案圖像的高光;另一方面，對(duì)于 反射率較低的黑暗區(qū)域，提高投射的亮度，以獲得清晰的條紋圖案圖像，從而恢復(fù)被測(cè)對(duì)象 的三維形貌。
[0008] 優(yōu)選的，一種自適應(yīng)條紋亮度的高動(dòng)態(tài)范圍三維形貌測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0009] 1)、在投射掃描條紋圖案前，首先投射亮度不同的均勻光序列碭、、.…@，相 機(jī)采用不同的增益ki、k2、. . .、kn和曝光量ti、t2、. . .、tn采集均勾光圖像序列Ii、l2、. . .、In， 求解最佳的條紋圖案圖像灰度值，并根據(jù)該圖像序列計(jì)算各個(gè)像素點(diǎn)的表面反射率、環(huán)境 光和表面互反射光強(qiáng)；
[0010] 2)、根據(jù)投影儀-相機(jī)響應(yīng)函數(shù)，計(jì)算條紋圖案各個(gè)像素的最佳投射灰度值，像素 坐標(biāo)為相機(jī)圖像坐標(biāo)；
[0011] 3)、通過相機(jī)-投影儀圖像坐標(biāo)映射函數(shù)，把上述像素坐標(biāo)映射為投影儀圖像坐 標(biāo)；
[0012] 4)、根據(jù)上述計(jì)算得到的投影儀像素坐標(biāo)、最佳投射灰度值投射條紋圖案，進(jìn)行掃 描操作；
[0013] 5)、將掃描得到的條紋圖案圖像進(jìn)行相位解算和表面重建，恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的三維 形貌；
[0014] 優(yōu)選的，步驟1)中，有效的均勻光圖像序列像素點(diǎn)計(jì)算方法如公式（1)所示，（x，y) 為相機(jī)圖像坐標(biāo)；
[0015]
⑴
[0016]有效的均勻光序列為：
[0017]
(2)
[0018] 相機(jī)采集的最佳的條紋圖案圖像灰度值為：
[0019]
(3)
[0020] 計(jì)算各個(gè)像素點(diǎn)的表面反射率、環(huán)境光和表面互反射光強(qiáng)
如公式(4)所示，其中，La(x，y)表示環(huán)境光照直接在相機(jī)圖像 傳感器上形成的光強(qiáng)，Ηχ，7)Ι/(Χ，7)表示來自環(huán)境光照和被測(cè)對(duì)象的其它面片通過互反 射形成的光經(jīng)過某個(gè)面片反射的光強(qiáng)，如圖2所示；
[0021]
[0022] 步驟2)中，條紋圖案各個(gè)像素點(diǎn)的最佳投射灰度值Lp(x，y)計(jì)算方法如公式(5)所 示；
[0023]
[0024] 步驟3)中，將上述所求的最佳投射灰度值Lp(x，y)映射為投影儀圖像坐標(biāo)(u，v)， 根據(jù)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定得到的單應(yīng)性矩陣H，構(gòu)建相機(jī)-投影儀圖像坐標(biāo)映射函數(shù)；
[0025]
(6)
[0026] s為比例因子，根據(jù)公式(6)映射之后的條紋圖案最佳投射灰度值為L(zhǎng)p(u，v)，i^Pv 為投影儀圖像坐標(biāo)。
[0027]本發(fā)明的有益效果：
[0028] (1)本發(fā)明能夠根據(jù)被測(cè)對(duì)象和環(huán)境光照等因素自動(dòng)調(diào)節(jié)條紋圖案各像素的投射 亮度，與采用多次曝光的技術(shù)相比，測(cè)量效率較高；
[0029] (2)本發(fā)明通過分析均勻光圖像序列計(jì)算得到各像素點(diǎn)的表面反射率、環(huán)境光和 表面互反射光強(qiáng)，量化準(zhǔn)確，保證了測(cè)量的高精度；
[0030] (3)無需添加額外硬件，實(shí)現(xiàn)成本低，方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是本發(fā)明的測(cè)量方法流程圖；
[0032]圖2是相機(jī)成像示意圖；
[0033] 圖3是采用一般的條紋投影技術(shù)相機(jī)采集的全亮圖像，位置A和B為高光區(qū)域，即被 測(cè)對(duì)象表面反射率較大的區(qū)域；
[0034] 圖4是采用本發(fā)明的測(cè)量方法相機(jī)采集的全亮圖像，對(duì)應(yīng)圖3位置A和B的高光已被 去除；
[0035]圖5是采用一般的條紋投影技術(shù)相機(jī)采集的條紋圖案圖像，對(duì)應(yīng)圖3位置A和B的高 光導(dǎo)致相機(jī)圖像傳感器飽和，丟失條紋信息；
[0036] 圖6為采用本發(fā)明的測(cè)量方法相機(jī)采集的條紋圖案圖像，對(duì)應(yīng)圖3位置A和B的條紋 清晰明確。
【具體實(shí)施方式】