本发明专利技术一种快速高精度的大型复合材料构件表面直线结构光提取方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种图像质量评价方法及直线结构光光条中心提取方法。该方法针对大型复合材料构件表面直线结构光，基于高斯相似度图像质量评价建立光条评价标准，提出中心提取判定准则；采用激光结构光在复合材料表面形成的光照模型和空间信息变换关系，获得结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度；通过所获得的结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度对图像中结构光几何中心进行提取修正，从而得到实际光条中心。本发明专利技术采用基于高斯相似度图像质量评价方法对光条图像进行评价，精度较高，运算速度快，可满足大型零构件表面结构光条中心的快速高精度提取。
【技术实现步骤摘要】
一种快速高精度的大型表面光条中心提取方法
本专利技术属于计算机视觉测量
，涉及一种图像质量评价方法及直线结构光光条中心提取方法。
技术介绍
随着大型重大装备机械制造尺寸的大幅增加，其大型零、构件如大型飞机尾翼、大型天线等形面尺寸的高精度测量是其装备高质量连接装配的前提和保证。基于辅助激光扫描的双目视觉测量方法是其常用的一种大型形面测量方法，该方法是利用双目相机采集辅助激光条纹并进行光条中心重建，来实现被测物体形面轮廓尺寸的高精度测量。然而，由于大型零、构件形面尺寸大，激光条纹在被测物表面移动尺度大，同时激光条纹受现场光照、材料表面特性等多源因素影响，传统的中心提取方法很难实现大尺寸形面测量中结构光条纹中心的高精度提取。因此，如何快速高精度的提取大型零构件表面结构光光条中心对大型零构件的视觉测量具有重要意义。现有的结构光光条中心提取方法主要有传统的几何中心法、灰度重心法和曲线拟合法等，以及更具特征性的方向模板法和hessian矩阵法。传统的几何中心法是通过检测光条边缘来进一步提取光条中心，运算速度快，但精度较低；灰度重心法是通过计算光条图像每一行的灰度重心作为光条中心，鲁棒性低，精度不高；曲线拟合法能够达到较高精度，但是计算量大，运算速度慢。国内外学者在传统的光条中心提取算法基础上，进一步提出了更具特征性的几何方向模板法和Hessian矩阵法。胡斌等发表的《基于方向模板的结构光条纹中心检测方法》[J].计算机工程与应用，2002.11:58-60，提出了一种利用可变方向模板检测结构光条纹中心的方法，在0°、90°、45°和135°方向上设计4个模板，分别用这4个模板对图像每一行进行处理。该方法具有一定的抗白噪声能力和断线修补能力；周富强等专利技术的专利号为CN200510123724.6的“一种结构光条纹中心快速高精度提取方法”采用求解hessian矩阵确定光条的法线方向，利用泰勒展开和递归方法求解光条的亚像素级中心位置，在保证精度和鲁棒性的条件下减小了运算量，一定程度上实现了光条纹中心的快速提取。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是针对大型零构件表面、复杂测量环境下结构光条的快速高精度提取，专利技术了高斯相似性图像质量评价标准及相应的基于该图像评价的光条中心快速高精度提取方法。在结构光条中心提取过程中，需要对光条图像进行图像质量评价，对低于一定阈值的图像光条中心修正，实现大型零构件表面结构光条中心的快速高精度提取。本专利技术采用的技术方案是一种快速高精度的大型复合材料构件表面直线结构光提取方法，其特征是，该方法针对大型复合材料构件表面直线结构光，基于高斯相似度图像质量评价建立光条评价标准，提出中心提取判定准则；采用激光结构光在复合材料表面形成的光照模型和空间信息变换关系，获得结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度；通过所获得的结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度对图像中结构光几何中心进行提取修正，从而得到实际光条中心；方法的具体步骤如下：第一步基于高斯结构相似性图像质量评价标准设定中心提取判定准则1)基于高斯结构相似度的图像质量评价方法针对结构光的高斯特性和图像的结构相似性，提出基于高斯结构相似度的图像质量评价方法；对于待比较的两幅图像x,y，其中x为标准图像，y为待评价图像，可以通过以下亮度、对比度、结构相似性、高斯相似性四个方面进行比较实现对两幅图像的结构相似程度的度量；亮度比较：其中，μx，μy是图像的平均亮度，C1是为了避免分母为零而设的小常数,n为像素个数；对比度比较：其中，σx，σy是图像的标准差，C2是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；结构比较：其中，σxy是图像的协方差，表征结构对比度，是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；基于结构光光条的高斯特性，定义高斯相似性如下：其中T,xu,i,M分别代表待评价图像的灰度值，为高斯分布曲线公式，均为高斯曲线拟合系数；于是结合基于结构相似度的图像评价方法可建立高斯相似性图像质量评价模型如下所示：GFSSIM(x,y)＝[l(x,y)]α[c(x,y)]β[s(x,y)]γ[g(y)]λ(5)其中，α，β，γ,λ分别是亮度、对比度和结构比较和高斯相似性在该图像评价模型中所占的自适应比重因子；2)基于标准图像设定中心提取判定准则定义标准图像为激光入射光线与相机光轴同直线且垂直于接收平面时相机拍摄的图像；标准图像光条中心即为光条的几何中心，可采用几何中心法直接提取；设定标准图像的高斯相似性图像质量评价阈值为GFSSIM；当待评价图像与标准图像足够相似时，即超过GFSSIM，则可认定待评价图像的光条中心近似位于光条的几何中心，可采用几何中心法提取光条中心；当待评价图像光条与标准图像有较大偏差时，即待评价图像与标准图像足够相似时即小于GFSSIM，待评价图像光条的中心已不在光条的几何中心，产生了较大的偏移量，需对该光条的中心提取进行一定的修正；第二步标准图像光条中心提取方法1)基于Hough变换提取光条两边缘直线在图像坐标系下，设定直线方程为v＝ku+b，其中(u,v)为图像的像素坐标，k为直线的斜率，b为直线的截距；定义直线的参数方程为：ρ＝uicosθ+visinθ(6)其中，ρ为坐标原点与直线的距离，θ为直线与u轴夹角；以ρ-θ为自变量-因变量，将图像坐标系中每个像素点(ui,vi)带入公式(5)中分别构成一条曲线，其曲线交点为(ρ,θ)，则可得出空间直线的参数为：k＝-cotθ(7)b＝ρ/sinθ(8)进而可得到光条两边缘的直线方程：y＝x(-cotθl)+ρl/sinθl(9)y＝x(-cotθr)+ρr/sinθr(10)其中，(ρl,θl)为左边缘直线方程的对应参数，(ρr,θr)为右边缘直线方程的对应参数；由于光条边缘直线近似平行，故光条宽度D可采用两平行直线间距离公式进行计算：k＝-(cotθl+cotθr)/2(11)其中，k为平均斜率，用于计算两平行线间距离；2)确定光条几何中心采用高斯相似性图像评价标准对左、右图像进行评价，若满足结构光提取阈值，可直接根据边缘直线方程，采用几何中心法确定光条中心；光条中心直线方程可联立两边缘直线方程求取角平分线来获得。由角平分线斜率公式(13)求得中心线直线斜率k；其中，kl＝-cotθl为左边缘直线斜率，kr＝-cotθr为右边缘直线斜率；于是光条中心直线方程为：y-y0＝k(x-x0)(14)其中，(x0,y0)为左右边缘直线交点坐标；x0＝(br-bl)/(kl-kr)；y0＝klx0+bl；br,bl为右、左直线的截距；第三步：修正光条提取方法采用高斯相似性图像评价标准对左、右图像进行评价，若低于提取阈值，则需要对几何中心法提取的光条中心进行修正；1)多源因素耦合模型基于激光、复合材料表面物体特性，分析激光在复合材料表面的反射特性，建立多源因素耦合模型，其模型公式如下：其中，I为总的结构光光强，kaIpa为环境光光强，ka为环境光光照系数，kd为漫反射系数，ks为镜面反射系数，i为入射光条与平面法矢量的夹角，θ为观察方向与平面法矢量的夹角，d为激光器到接收平面的距离，h为反射率系数；2)确定结构光光条宽度根据实际图像光条中心与标准图像光条中心的空间位置关系可建立如下本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种快速高精度的大型表面光条中心提取方法，其特征是，该方法针对大型复合材料构件表面直线结构光，基于高斯相似度图像质量评价建立光条评价标准，提出中心提取判定准则；采用激光结构光在复合材料表面形成的光照模型和空间信息变换关系，获得结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度；通过所获得的结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度对图像中结构光几何中心进行提取修正，从而得到实际光条中心；方法具体步骤如下：第一步基于高斯结构相似性图像质量评价标准设定中心提取判定准则1)基于高斯结构相似度的图像质量评价方法针对结构光的高斯特性和图像的结构相似性，提出基于高斯结构相似度的图像质量评价方法；对于待比较的两幅图像x,y，其中x为标准图像，y为待评价图像，通过以下亮度、对比度、结构相似性、高斯相似性四个方面进行比较实现对两幅图像的结构相似程度的度量；亮度比较：其中，μx，μy是图像的平均亮度，C1是为了避免分母为零而设的小常数,n为像素个数；对比度比较：其中，σx，σy是图像的标准差，C2是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；结构比较：σxy是图像的协方差，表征结构对比度，C3是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；基于结构光光条的高斯特性，定义高斯相似性如下：其中，T,xu,i,M分别代表待评价图像的灰度值，为高斯分布曲线公式，均为高斯曲线拟合系数；结合基于结构相似度的图像评价方法建立高斯相似性图像质量评价模型如下所示：GFSSIM(x,y)＝[l(x,y)]α[c(x,y)]β[s(x,y)]γ[g(y)]λ (5) 其中，α，β，γ,λ分别是亮度、对比度和结构比较和高斯相似性在该图像评价模型中所占的自适应比重因子；2)基于标准图像设定中心提取判定准则定义标准图像为激光入射光线与相机光轴同直线且垂直于接收平面时相机拍摄的图像；标准图像光条中心即为光条的几何中心，采用几何中心法直接提取；设定标准图像的高斯相似性图像质量评价阈值为GFSSIM；当待评价图像与标准图像足够相似时，即超过GFSSIM，则认定待评价图像的光条中心近似位于光条的几何中心，采用几何中心法提取光条中心；当待评价图像光条与标准图像有较大偏差时，即待评价图像与标准图像足够相似时即小于GFSSIM，待评价图像光条的中心已不在光条的几何中心，产生了较大的偏移量，需对该光条的 中心提取进行一定的修正；第二步标准图像光条中心提取方法1)基于Hough变换提取光条两边缘直线在图像坐标系下，设定直线方程为v＝ku+b，其中，(u,v)为图像的像素坐标，k为直线的斜率，b为直线的截距；定义直线的参数方程为：ρ＝uicosθ+visinθ (6) 其中，ρ为坐标原点与直线的距离，θ为直线与u轴夹角；以ρ‑θ为自变量‑因变量，将图像坐标系中每个像素点(ui,vi)带入公式(5)中分别构成一条曲线，其曲线交点为(ρ,θ)，则得出空间直线的参数为：k＝‑cotθ (7) b＝ρ/sinθ (8) 进而得到光条两边缘的直线方程：y＝x(‑cotθl)+ρl/sinθl (9) y＝x(‑cotθr)+ρr/sinθr (10) 其中，(ρl,θl)为左边缘直线方程的对应参数，(ρr,θr)为右边缘直线方程的对应参数；由于光条边缘直线近似平行，故光条宽度D采用两平行直线间距离公式进行计算：k＝‑(cotθl+cotθr)/2 (11) 其中，k为平均斜率，用于计算两平行线间距离；2)确定光条几何中心采用高斯相似性图像评价标准对左、右图像进行评价，若满足结构光提取 阈值，直接根据边缘直线方程，采用几何中心法确定光条中心；光条中心直线方程联立两边缘直线方程求取角平分线来获得；由角平分线斜率公式(13)求得中心线直线斜率k；其中，kl＝‑cotθl为左边缘直线斜率，kr＝‑cotθr为右边缘直线斜率；于是光条中心直线方程为：y‑y0＝k(x‑x0) (14) 其中，(x0,y0)为左右边缘直线交点坐标；x0＝(br‑bl)/(kl‑kr)；y0＝klx0+bl；br,bl为右、左直线的截距；第三步：修正光条提取方法采用高斯相似性图像评价标准对左、右图像进行评价，若低于提取阈值，则需要对几何中心法提取的光条中心进行修正；1)多源因素耦合模型基于激光、复合材料表面物体特性，分析激光在复合材料表面的反射特性，建立多源因素耦合模型，其模型公式如下：其中，I为总的结构光光强，kaIpa为环境光光强，ka为环境光光照系数，kd为漫反射系数，ks为镜面反射系数，i为入射光条与平面法矢量的夹角，θ为观察方向与平面法矢量的夹角，d为激光器到接收...
【技术特征摘要】
1.一种快速高精度的大型表面光条中心提取方法，其特征是，该方法针对大型复合材料构件表面直线结构光，基于高斯相似度图像质量评价建立光条评价标准，提出中心提取判定准则；采用激光结构光在复合材料表面形成的光照模型和空间信息变换关系，获得结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度；通过所获得的结构光光源的入射角度及摄像机的观察角度对图像中结构光几何中心进行提取修正，从而得到实际光条中心；方法具体步骤如下：第一步基于高斯结构相似性图像质量评价标准设定中心提取判定准则1)基于高斯结构相似度的图像质量评价方法针对结构光的高斯特性和图像的结构相似性，提出基于高斯结构相似度的图像质量评价方法；对于待比较的两幅图像x,y，其中x为标准图像，y为待评价图像，通过以下亮度、对比度、结构相似性、高斯相似性四个方面进行比较实现对两幅图像的结构相似程度的度量；亮度比较：其中，μx，μy是图像的平均亮度，C1是为了避免分母为零而设的小常数,n为像素个数；对比度比较：其中，σx，σy是图像的标准差，C2是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；结构比较：σxy是图像的协方差，表征结构对比度，C3是为了避免分母为零而设的小常数，n为像素个数；基于结构光光条的高斯特性，定义高斯相似性如下：其中，T,M分别代表待评价图像的像素行、列数,yu,v代表待评价图像(u,v)处的灰度值，为高斯分布曲线公式，分别为第v行的高斯曲线拟合系数；结合基于结构相似度的图像评价方法建立高斯相似性图像质量评价模型如下所示：GFSSIM(x,y)＝[l(x,y)]α[c(x,y)]β[s(x,y)]γ[g(y)]λ(5)其中，α，β，γ,λ分别是亮度、对比度和结构比较和高斯相似性在该图像评价模型中所占的自适应比重因子；2)基于标准图像设定中心提取判定准则定义标准图像为激光入射光线与相机光轴同直线且垂直于接收平面时相机拍摄的图像；标准图像光条中心即为光条的几何中心，采用几何中心法直接提取；设定标准图像的高斯相似性图像质量评价阈值为GFSSIM；当待评价图像与标准图像足够相似时，即超过GFSSIM，则认定待评价图像的光条中心近似位于光条的几何中心，采用几何中心法提取光条中心；当待评价图像光条与标准图像有较大偏差时，即待评价图像与标准图像不相似时即小于GFSSIM，待评价图像光条的中心已不在光条的几何中心，产生了较大的偏移量，需对该光条的中心提取进行一定的修正；第二步标准图像光条中心提取方法1)基于Hough变换提取光条两边缘直线在图像坐标系下，设定直线方程为v＝ku+b，其中，(u,v)为图像的像素坐标，k为...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，高鹏，张洋，杨帆，李晓东，贾振元，高航，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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