一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，该方法首先搭建系统，投影仪投射五幅不同亮度的黑白图像到被测物体上，相机同步拍摄被测物体反射的黑白图像，使用最小二乘法求解被测物体的光强响应函数，然后根据响应函数求出的被测物体的光强响应函数来生成多组三步相移光栅，并使用投影仪将多组三步相移光栅投射至被测物体，相机同步拍摄被测物体反射的相移光栅图像，将拍摄得到的相移光栅图像进行图像融合，计算绝对相位，最后结合步骤一得到的相机透视投影矩阵和投影仪透视投影矩阵，恢复出被测物体的三维形貌。本发明专利技术避免了传统多曝光法的图像数据冗余，三维重构计算量小，提高了测量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法
本专利技术属于光学测量
，特别是一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法。
技术介绍
基于结构光的三维测量技术上具有高精度、非接触等优点，被广泛应用在工业检测、快速逆向工程和医学研究等领域。尽管基于结构光的三维测量技术已经非常成熟，但是测量高动态范围的物体仍然是一个非常棘手的问题。由于工业相机的动态范围有限，在拍摄高动态范围的物体时，物体表面的高反光区域容易形成局部亮度饱和，使得其结构光信息丢失，导致三维重建精度降低，甚至无法完成三维重建。目前，针对由光强饱和引起的测量误差有两种解决方法，分别是去除光强饱和的像素点和抑制光强饱和的发生。去除光强饱和的像素点是指，在进行计算前先将图像中的光强饱和像素点找出并去除，只用非饱和的像素点进行计算。以相移轮廓术为例，由于相移条纹的周期性，同一个像素点在多步相移图像中不会同时出现光强饱和的情况。根据相移算法，对任一像素点可以直接利用其非饱和光栅图像来求解相位(E.Hu,"Furtherstudyofthephase-recoveringalgorithmforsaturatedfringepatternswithalargersaturationcoefficientintheprojectiongratingphase-shiftingprofilometry."Optik-InternationalJournalforLightandElectronOptics121.14(2010):1290-1294)。尽管上述方法可以有效地减小因图像饱和引起的相位误差，但是需要考虑的情况很多(如相移步数，饱和像素点在相移光栅图像中的序列等)，每一种情况都对应一种不同的相位计算方法，为了得到各种情况下的相位，往往要考虑几十种相位计算方法，这导致相位求解过于复杂。此外，该方法要求每个像素点对应的非饱和相移图像的数量大于等于三幅，这极大限制了其测量的动态范围。抑制光强饱和的发生是指，在拍摄图像时减小进入相机的光强来避免像素点出现饱和现象。比如针对被测物体表面的反射特性去调节投影光强的大小(Babaie,"Dynamicsrangeenhancementindigitalfringeprojectiontechnique."PrecisionEngineering39(2015):243-251)：增大暗区域的投影光强，减小高光区域的投影光强。此方法能有效测量高动态物体的三维形貌，但是存在两个问题：一方面，该方法需要精确求得相机像平面和投影仪像平面的齐次矩阵，对系统和算法的精度要求非常苛刻；另一方面，该方法需要反复迭代计算才能得到比较理想的高动态图像，测量效率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，实现高动态范围物体的高效三维形貌测量。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，过程如下：步骤一，搭建系统，对相机和投影仪进行标定，得到相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP；步骤二，投影仪投射五幅不同亮度的黑白图像到被测物体上，相机同步拍摄被测物体反射的黑白图像，使用最小二乘法求解被测物体的光强响应函数；步骤三，根据步骤二求出的被测物体的光强响应函数来生成多组三步相移光栅，每组包含三幅低频相移光栅和三幅高频相移光栅；步骤四，使用投影仪将步骤三生成的多组三步相移光栅投射至被测物体，相机同步拍摄被测物体反射的相移光栅图像，将拍摄得到的相移光栅图像进行图像融合，计算绝对相位；步骤五，根据步骤四得到的绝对相位，结合步骤一得到的相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP，恢复出被测物体的三维形貌。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：利用光强响应函数生成最适合被测物体的相移光栅，避免了传统多曝光方法的图像数据冗余，三维重构计算量小，提高了测量效率。此外，本专利技术方法算法简单，对硬件要求小，简单的单目系统就可以实现高动态范围物体的测量。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法的流程示意图。图2为本专利技术实施例中使用的测量对象及其场景图像，测量对象为图像中的具有局部高光的金属扳手。图3为本专利技术实施例中对图2所示的测量对象拍摄的高频光栅图像，其中(a)为使用传统方法得到的第一幅高频光栅图像，(b)为使用传统方法得到的第二幅高频光栅图像，(c)为使用传统方法得到的第三幅高频光栅图像，(d)为使用本专利技术方法得到的第一幅高频光栅图像，(e)为使用本专利技术方法得到的第二幅高频光栅图像，(f)为使用本专利技术方法得到的第三幅高频光栅图像。图4为本专利技术实施例中求解的绝对相位示意图，其中(a)为使用传统方法求解的绝对相位，(b)为使用本专利技术方法求解的绝对相位。图5为本专利技术实施例获得的三维重建图像对比，其中(a)为使用传统方法重建获得的三维图像，(b)为(a)的局部放大图像，其中(c)为使用本专利技术方法重建获得的三维图像，(d)为(c)的局部放大图像。具体实施方式结合图1，本专利技术基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，步骤如下。步骤一，搭建条纹投影系统，整个系统包含一台计算机，一台黑白相机和一台投影仪。系统搭建完成后分别对相机和投影仪进行标定：对于相机，可以利用张正友的标定算法(Z.Zhang,“Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration.”IEEETransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence.22(11),1330-1334(2000))来进行标定，得到相机的透视投影矩阵MC；对于投影仪，可以利用张松的标定方法(S.Zhang,"Novelmethodforstructuredlightsystemcalibration."OpticalEngineering45.8(2006):083601-083601)来进行标定，得到投影仪的透视投影矩阵MP。步骤二，投影仪投射五幅不同亮度的黑白图像到被测物体上，相机同步拍摄被测物体反射的黑白图像，使用最小二乘法求解被测物体的光强响应函数。光强响应指的是被测物体在不同的光照条件下会得到光强不同的图像。光强响应函数就是这一过程的具体数学表达。为了获得光强响应函数，首先要考虑存在的各种光照因素。对于条纹投影系统，其光照因素有：(1)直接进入相机的环境光IA；(2)经被测物体反射进入相机的环境光IO；(3)经被测物体反射进入相机的投影仪光IP；(4)系统噪声IN。假设物体的反射率为ρ，相机的曝光时间为t，相机的响应系数为γ，则光强响应函数可表示为：IC(x,y)＝γt[ρIP(u,v)+ρIO+IA]+IN其中IC为相机最终得到的光强，(x,y)为相机像平面坐标，(u,v)为投影仪像平面坐标。令a(x,y)＝γtρb(x,y)＝γtρIO+γtIA+IN则可将光强响应函数简化为IC(x,y)＝a(x,y)IP(u,v)+b(x,y)为了求解出上式中的a(x,y)和b(x,y)，首先用计算机生成五幅不同灰度的黑白图片，五幅黑白图像按以下方式生成：n1<n2<n3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，其特征在于过程如下：步骤一，搭建系统，对相机和投影仪进行标定，得到相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP；步骤二，投影仪投射五幅不同亮度的黑白图像到被测物体上，相机同步拍摄被测物体反射的黑白图像，使用最小二乘法求解被测物体的光强响应函数；步骤三，根据步骤二求出的被测物体的光强响应函数来生成多组三步相移光栅，每组包含三幅低频相移光栅和三幅高频相移光栅；步骤四，使用投影仪将步骤三生成的多组三步相移光栅投射至被测物体，相机同步拍摄被测物体反射的相移光栅图像，将拍摄得到的相移光栅图像进行图像融合，计算绝对相位；步骤五，根据步骤四得到的绝对相位，结合步骤一得到的相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP，恢复出被测物体的三维形貌。

【技术特征摘要】
1.一种基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，其特征在于过程如下：步骤一，搭建系统，对相机和投影仪进行标定，得到相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP；步骤二，投影仪投射五幅不同亮度的黑白图像到被测物体上，相机同步拍摄被测物体反射的黑白图像，使用最小二乘法求解被测物体的光强响应函数；步骤三，根据步骤二求出的被测物体的光强响应函数来生成多组三步相移光栅，每组包含三幅低频相移光栅和三幅高频相移光栅；步骤四，使用投影仪将步骤三生成的多组三步相移光栅投射至被测物体，相机同步拍摄被测物体反射的相移光栅图像，将拍摄得到的相移光栅图像进行图像融合，计算绝对相位；步骤五，根据步骤四得到的绝对相位，结合步骤一得到的相机透视投影矩阵MC和投影仪透视投影矩阵MP，恢复出被测物体的三维形貌。2.根据权利要求1所述的基于光强响应函数的高动态范围三维测量方法，其特征在于求解被测物体的光强响应函数过程如下：对于条纹投影系统，各种光照因素有：直接进入相机的环境光IA，经被测物体反射进入相机的环境光IO，经被测物体反射进入相机的投影仪光IP，系统噪声IN；假设物体的反射率为ρ，相机的曝光时间为t，相机的响应系数为γ，则光强响应函数表示为：IC(x,y)＝γt[ρIP(u,v)+ρIO+IA]+IN其中IC为相机最终得到的光强，(x,y)为相机像平面坐标，(u,v)为投影仪像平面坐标，令a(x,y)＝γtρb(x,y)＝γtρIO+γtIA+IN则可将光强响应函数简化为IC(x,y)＝a(x,y)IP(u,v)+b(x,y)为了求解出上式中的a(x,y)和b(x,y)，首先用计算机生成五幅不同灰度的黑白图片，五幅黑白图像按以下方式生成：n1<n2<n3<n4<n5其中n1、n2、n3、n4和n5代表不同的灰度级，使用投影仪将生成的五幅黑白图像投影到被测物体上，相机同步采集被测物体反射的五幅图像，相机拍摄的五幅图像可被表示为：由于饱和像素会影响响应函数的线性关系，造成比较大的误差，因此要保证相机采集得到的五幅图像中不包含有饱和像素点，即：采集完图像后，，通过最小二乘法来解出a(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钱，张良，左超，冯世杰，孙佳嵩，张玉珍，顾国华，陶天阳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32