高反射率表面彩色三维重建方法、系统、终端及介质技术方案

本发明专利技术提供了一种高反射率表面彩色三维重建方法及系统，将多张初始图片合成为一张高动态范围彩色图片；对高动态范围彩色图片颜色分离，得到图片颜色信息及灰度图片；采用聚焦评价函数解析高动态范围灰度图片，得到聚焦评价函数曲线；利用峰值评价函数去除聚焦评价函数曲线无峰值点，结合高斯曲线拟合得到像素点的聚焦位置，得到被测物三维点云；根据像素点的聚焦位置检索到该像素点在该位置上的图片颜色信息，通过颜色映射函数得到相应的颜色；将颜色与三维点云进行融合，得到彩色三维点云。同时提供了一种相应的终端及介质。本发明专利技术实现高反射率表面测量；对未聚焦点做了有效屏蔽，提高了三维测量数据的精度；保留并还原了待测物体的颜色信息。待测物体的颜色信息。待测物体的颜色信息。

【技术实现步骤摘要】
高反射率表面彩色三维重建方法、系统、终端及介质


[0001]本专利技术涉及表面微结构测量
，具体地，涉及一种基于自动变焦技术的高反射率表面彩色三维重建方法、系统、终端及介质。

技术介绍

[0002]近年来，随着新兴制造业的高速发展，对表面微结构的测量要求不断提高。在生产加工过程中，测量表面微结构对提高产品质量、提高设备运行稳定性具有重要意义。表面微结构测量分为接触式测量和非接触式测量两类。其中以光学测量为主的非接触式测量以其高精度、高速度、低损伤的特点获得广泛的应用。自动变焦技术是一种以图像处理技术为核心的光学三维结构测量方法，该技术起源于shape from focus(SFF)，主要用于显微学中，用来测定表面微结构。该技术通过在z方向连续的垂直扫描和先进的图像处理技术，能够重构出待测物体体完整的三维形貌，并实现对物体的粗糙度，倾斜度等几何参数的测量。
[0003]经过检索发现：
[0004]申请号为202011247624.5的中国专利技术专利申请《一种自动变焦三维形貌测量系统及方法》，包括：光源照明系统、第一tube透镜、CCD采集系统、第二tube透镜、分光镜、显微镜头和压电陶瓷组成。该测量方法具体是先纵向扫描物体，然后采集一组携带物体高度信息的图片，接着使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。该技术无法应用于高反射率表面且仅测量位置信息。
[0005]申请号为201910972508.0的中国专利技术专利申请《一种基于聚焦评价算法的结构光微纳三维形貌测量方法》，将DMD产生的图案投影到物体表面，纵向扫描物体获得待处理图片，对于一个像素点而言，在图像序列中表现为从模糊到清晰再到模糊的过程，其中使用聚焦评价算法定位像素点成像最清晰的图片位置，再结合曲线拟合算法提取精确聚焦位置，遍历所有像素点即可获取物体三维形貌。该技术使用结构光投影应对光滑表面测量，对硬件要求高；仅测量位置信息。
[0006]综上所述，上述检索到的现有技术均公开了一种自动变焦技术，并给出了应用该技术的测量系统的基本结构，如图3所示，包括：光源1、光源调制器2、第一透镜3、CCD相机4、第二透镜5、分光镜6、显微镜头7、压电陶瓷8。其中，第一透镜匹配位于光源照明系统的光线输出侧，分光镜匹配位于第一透镜的光线输出侧，显微镜头匹配位于分光镜的光线输出侧，压电陶瓷匹配位于显微镜头的光线输出侧，第二透镜匹配位于分光镜的反射光线输出侧，CCD采集系统位于第二透镜的焦面位置。测量时，白光光源照明系统发出的光束依次经过第一透镜、分光镜和显微镜头后照射到待测物体表面，经过物体表面反射后光路经过第二透镜，由CCD采集系统采集到携带物体高度信息的成像图片，再由压电陶瓷对物体进行纵向扫描并同步采集成像。在纵向扫描物体采集到一组携带物体高度信息的图片后，使用基于拉普拉斯算子的聚焦评价函数解析图片得到像素点的聚焦评价函数值曲线，最后结合高斯曲线拟合算法得到像素点准确聚焦的位置，进而恢复物体三维形貌。
[0007]但是，上述现有技术仍然存在的如下不足：
[0008]1、上述技术对待测物体表面的反射率有一定限制。当待测物体表面反射率显著变化时(例如，半球形金属表面的水平部分会比倾斜部分的反射率大；金刚石表面的一些晶体结构会有很高的反射率等)，场景的动态范围(Dynamic Range)将显著提高(动态范围指光强最大值与最小值的比值，常以10为底的对数表示)。在测量光滑金属表面或金刚石表面微结构时，场景动态范围可达到60dB以上，而工业CCD相机的动态范围一般为48dB。当场景动态范围超过CCD动态范围时，会导致无论如何改变光强或者曝光时间，CCD采集的图像上始终有过曝光(太亮以至于超出CCD采集值上限)或欠曝光(太暗以至于低于CCD的最小采集值)的部分。由于自动变焦技术是一种基于图像处理的测量技术，图像上过曝光和欠曝光部分的数据处理将极大影响数据处理的结果，导致在这些位置的三维数据结果缺失。因而上述技术方案难以检测高反射率表面微结构。
[0009]2、上述技术无法应对有边缘轮廓的情况。在刀具微结构三维检测中，轮廓形貌是重要的测量部分。当测量边缘轮廓时，所有轮廓外的部分都在聚焦范围之外。轮廓外的所有点都不存在能够对焦的高度值。对这些点使用聚焦评价函数后，得到的不再是高斯分布曲线，而是单纯的噪声。因而，无法对边缘轮廓外的点使用高斯拟合，否则会得到错误的数值。在类似刀具检测这样有轮廓的测量中，轮廓外的部分应当忽略，不参与高斯拟合计算。
[0010]3、上述技术省略了物体表面原有的颜色信息。颜色信息对判断加工表面的损伤类型、性质变化等具有重要作用。上述技术仅得出了表面微结构的三维位置数据信息，忽略了颜色信息。
[0011]综上所述，现有的表面微结构测量技术无法针对满足测量需求，目前没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现思路

[0012]本专利技术针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于自动变焦技术的高反射率表面彩色三维重建方法、系统、终端及介质。
[0013]根据本专利技术的一个方面，提供了一种高反射率表面彩色三维重建方法，包括：
[0014]将白光光源投射到待测物体表面，采集多个设定高度位置上的多张初始图片，并将同一个高度位置上的多张初始图片合成为一张高动态范围彩色图片，得到多张高动态范围彩色图片；
[0015]对每一张所述高动态范围彩色图片进行颜色分离，得到图片颜色信息和高动态范围灰度图片；
[0016]采用基于修正灰度方差的聚焦评价函数解析所述高动态范围灰度图片，计算每一张灰度图片中每一个像素点的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数曲线；利用峰值评价函数去除所述聚焦评价函数曲线无峰值点，结合高斯曲线拟合得到像素点的聚焦位置，遍历所有像素点得到待测物体的三维点云；
[0017]根据所述像素点的聚焦位置检索到该像素点在该聚焦位置上的图片颜色信息，通过颜色映射函数得到相应的颜色；将所述颜色与所述待测物体的三维点云进行融合，得到待测物体的彩色三维点云，完成对高反射率表面彩色三维重建。
[0018]优选地，所述将白光光源投射到待测物体表面，采集多个设定高度位置上的多张
初始图片，包括：
[0019]将白光光源投射到待测物体表面，控制电机步距变化垂直扫描所述待测物体；
[0020]通过改变所述白光光源的曝光时间和/或光源光强，由彩色CCD采集到多个设定高度位置上的多张初始图片；
[0021]重复上述步骤，直至得到全部设定高度位置上的图片。
[0022]优选地，所述将同一个高度位置上的多张初始图片合成为一张高动态范围彩色图片，包括：
[0023]所述高动态范围彩色图片的合成公式为：
[0024][0025]其中，(x,y)表示初始图片上某一位置的像素点，E表示高动态范围彩色图片像素值，I表示CCD接收的灰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高反射率表面彩色三维重建方法，其特征在于，包括：将白光光源投射到待测物体表面，采集多个设定高度位置上的多张初始图片，并将同一个高度位置上的多张初始图片合成为一张高动态范围彩色图片，得到多张高动态范围彩色图片；对每一张所述高动态范围彩色图片进行颜色分离，得到图片颜色信息和高动态范围灰度图片；采用基于修正灰度方差的聚焦评价函数解析所述高动态范围灰度图片，计算每一张灰度图片中每一个像素点的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数曲线；利用峰值评价函数去除所述聚焦评价函数曲线无峰值点，结合高斯曲线拟合得到像素点的聚焦位置，遍历所有像素点得到待测物体的三维点云；根据所述像素点的聚焦位置检索到该像素点在该聚焦位置上的图片颜色信息，通过颜色映射函数得到相应的颜色；将所述颜色与所述待测物体的三维点云进行融合，得到待测物体的彩色三维点云，完成对高反射率表面彩色三维重建。2.根据权利要求1所述的一种高反射率表面彩色三维重建方法，其特征在于，所述将白光光源投射到待测物体表面，采集多个设定高度位置上的多张初始图片，包括：将白光光源投射到待测物体表面，控制电机步距变化垂直扫描所述待测物体；通过多次改变所述白光光源的曝光时间和/或光源光强，由彩色CCD采集到多个设定高度位置上的多张初始图片；重复上述步骤，直至得到全部设定高度位置上的图片。3.根据权利要求1所述的一种高反射率表面彩色三维重建方法，其特征在于，所述将同一个高度位置上的多张初始图片合成为一张高动态范围彩色图片，包括：所述高动态范围彩色图片的合成公式为：其中，(x,y)表示初始图片上某一位置的像素点，E表示高动态范围彩色图片像素值，I表示CCD接收的灰度值，W表示CCD可测量范围，p表示白光光源的变化参数。4.根据权利要求1所述的一种高反射率表面彩色三维重建方法，其特征在于，所述对每一张所述高动态范围彩色图片进行颜色分离，得到RGB三通道颜色信息，包括：对CCD的RGB三通道分别进行如下计算，得到：对CCD的RGB三通道分别进行如下计算，得到：
其中，R,G,B分别表示红、绿、蓝光光强值，得到图片颜色信息。5.根据权利要求1所述的一种高反射率表面彩色三维重建方法，其特征在于，所述采用基于修正灰度方差的聚焦评价函数解析所述高动态范围灰度图片，计算每一张灰度图片中每一个像素点的聚焦评价函数值，得到聚焦评价函数曲线，包括：所述修正灰度方差的聚焦评价函数为：其中，F表示高动态范围灰度图片数据矩阵，M表示均值滤波器，F
′
表示评价数据矩阵；所述高动态范围灰度图片中任一像素点在每个评价数据矩阵中的数值即为聚焦评价函数值；采用所述聚焦评价函数值得到聚焦评价函数曲线。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅恒，姚振强，
申请(专利权)人：上海智能制造功能平台有限公司，
类型：发明
国别省市：