基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法及系统，包括：利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。

【技术实现步骤摘要】
基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法及系统
本公开涉及面形测量
，特别是涉及基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段，也是记录、比较、复制物体形态特征的基础。三维面形测量技术在文物保护、三维测量、计算机视觉、表面检测、医疗诊断等领域具有重要意义和广阔的应用前景。三维物体表面轮廓测量技术中常采用投影栅线的方法，即计算机产生灰度余弦分布的条纹图像，投影仪将条纹图像投影到被测物面上。投影栅线法具有实验方法简单、非接触以及精度较高的优点。投影在物面上的条纹由于物面的调制而发生变形，摄像机采集变形前后的条纹图像，通过条纹变形可恢复出物体面形信息。常用的面形信息提取技术有傅里叶变换轮廓术(Fouriertransformprofilometry)、相位测量轮廓术(phasemeasurementprofilometry)、小波变换轮廓术(Wavelettransformprofilometry)等。这些以面形相位为测量量的测量技术，都需要相位-高度的转换才能够得到物体的高度分布。基于光流的面形测量技术能够直接得到物体的高度分布，具有速度快的优点。在实现本公开的过程中，专利技术人发现现有技术中存在以下技术问题：目前，光流法和其他面形测量方法都存在倾斜偏差问题，即与实际物体面形分布相比，测量值存在倾斜的误差。已有学者注意到该问题并提出了修正偏差的方法。比如投影条纹相移校正的方法，利用四步移相法对投影的正弦条纹进行相位周期校正，再将校正后的条纹图样投影，则CCD相机采集到的即为空间周期均匀的条纹图像。该方法要求投影仪与CCD相机二者的光心处于同一水平线上，在测量大物体时效果较好。投影条纹相移校正的方法事先需要对投影条纹的分布做出预判，操作难度较大，同时对不同的实验光路需要不同的修正。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法及系统；第一方面，本公开提供了基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法；基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法，包括：利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。第二方面，本公开提供了基于Brox光流估计的面形测量误差校正装置；基于Brox光流估计的面形测量误差校正装置，包括：投影模块，其被配置为：利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；采集模块，其被配置为：利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；处理模块，其被配置为：利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；建立模块，其被配置为：建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；修正模块，其被配置为：对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。第五方面，本公开提供了基于Brox光流估计的面形测量误差校正系统；基于Brox光流估计的面形测量误差校正系统，包括：投影仪、CCD摄像机和处理器；其中，所述投影仪，用于将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；所述CCD摄像机，用于分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；所述处理器，用于利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。与现有技术相比，本公开的有益效果是：1、仅用两帧图像即可恢复物体的高度分布，实验过程相对简单，能够有效地缩短测量时间，又因为该方法采用了光流计算，本身含有时间因子，故可适用于动态测量。2、本公开提出了一种适用于光流法面型测量技术的修正方案，能够解决投影仪与CCD摄像机光心相对位置不水平引起的投影误差问题，通过模拟仿真与实际测量，证明了该修正方法的有效性。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为第一个实施例的光流法测量面形光路图；图2为第一个实施例的摄像机、投影仪光心处于同一高度时的光路设置；图3为第一个实施例的摄像机、投影仪光心不在同一高度时的误差修正示意图；图4为第一个实施例的被测球冠高度分布示意图；图5(a)为第一个实施例的变形前条纹；图5(b)为第一个实施例的变形后条纹；图6(a)为第一个实施例的球冠面形分布计算值；图6(b)为第一个实施例的当入射角为π/100时，在y＝256像素截面上理论值与计算值的对比；图6(c)为第一个实施例的入射角分别为π/90、π/95、π/100时，在y＝256像素截面上理论值与计算值的相对误差；图6(d)为第一个实施例的分别加入10dB与20dB高斯噪声时计算值的相对误差；图7(a)为第一个实施例的投影仪与摄像机光心处于不同高度时的球冠高度计算结果；图7(b)为第一个实施例的对图7(a)的修正结果；图7(c)为第一个实施例的修正前测量值与实际值在y＝256像素截面的数值对比；图7(d)为第一个实施例的图7(b)与理论值在y＝256截面的数值对比；图7(e)为第一个实施例的修正结果的相对误差；图8(a)为第一个实施例的调制前条纹图；图8(b)为第一个实施例的调制后条纹图；图9(a)为第一个实施例的傅里叶变换法所得高度二维分布；图9(b)为第一个实施例的光流法所得高度二维分布；图9(c)为第一个实施例的相移法与光流法所得结果在y＝300横截面数据对比；图10为第一个实施例的修正后光流法所得高度二维分布；图11为第一个实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法，其特征是，包括：/n利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；/n利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；/n利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；/n建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；/n对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。/n

【技术特征摘要】
1.基于Brox光流估计的面形测量误差校正方法，其特征是，包括：
利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；
利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；
利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；
建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位移三者与被测物体高度的空间关系公式，根据空间关系公式获取被测物体的高度分布；
对被测物体的高度分布进行修正，得到修正后的被测物体高度分布。


2.如权利要求1所述的方法，其特征是，利用投影仪将光栅条纹以设定角度投影到参考平面上；其中，设定角度具体是指：小于π/90；
利用摄像机分别采集参考平面上加入被测物体前的第一条纹图像和加入被测物体后的第二条纹图像；具体步骤包括：
通过投影仪将模拟产生的光栅条纹投影到参考平面上，通过CCD摄像机采集未经被测物体表面调制的条纹图样，得到第一条纹图像；
将被测物体放置在参考平面上，通过CCD摄像机采集经被测物体表面调制后的条纹图样，得到第二条纹图像。


3.如权利要求1所述的方法，其特征是，利用Brox光流算法对第一条纹图像和第二条纹图像进行处理，得到观测点位移；具体步骤包括：
获取第一条纹图像的光强；
获取第二条纹图像的光强；
采用Brox光流算法对第一条纹图像的光强和第二条纹图像的光强进行处理，得到条纹变形前后两幅图像之间的光流场速度分量；
利用光流场速度分量，计算观测点位移。


4.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述采用Brox光流算法对第一条纹图像的光强和第二条纹图像的光强进行处理，得到条纹变形前后两幅图像之间的光流场速度分量；具体步骤包括：






其中，也就是将未知量uk+1、vk+1分解为上一次迭代的结果uk、vk和前后两次迭代结果之间的增量duk、dvk；u、v分别为横向光流速度矢量与纵向光流速度矢量；上角标k为迭代次数，ω为松弛因子，x和y为观测点的横纵坐标，α为平滑因子，a11、a12、a21、a22、b1和b2为Brox算法中数据项的拆分项；
或者，
所述利用光流场速度分量，计算观测点位移；具体步骤包括：
放置物体前参考面上任意观察点A(x,y)；放置物体后，该光线投射在物面上的D点，对应的高度为h；由于物面的存在，观察点A(x,y)在Δt时间内后移动到点B(x′,y′)，位移量Δx＝x′-x，Δy＝y′-y；
参考面上A(x,y)和B(x′,y′)对应CCD像面上的点Ai(xi,yi)和Bi(xi+Δxi,yi+Δyi)，CCD像面上的变形量为Δxi、Δyi；CCD像面变形量与物面变形量的关系为Δxi＝McΔx，Δyi＝McΔy；
条纹变形形成的光流，即像面上观察点Ai(xi,yi)移动的速度分量：



由于对采集两幅图像前后的时间间隔没有要求，取Δt＝1。


5.如权利要求1所述的方法，其特征是，建立以参考平面为参照系的投影仪、摄像机、观测点位...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐钰欣，孙平，高延红，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37