基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法技术

本发明专利技术基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法属于结构光三维成像技术领域；该方法通过生成不同频率的余弦斜条纹图案，在漫反射板和样品上分别形成固定光波下余弦斜条纹图像，再进行傅里叶变换得到图像频谱，并进行滤波和傅里叶逆变换，得到直流分量和一阶频谱分量的空域表达形式，进而得到图像像素点所对应样品表面漫反射率和包裹相位，对包裹相位进行展开得到绝对相位并计算图像像素点所对应的样品表面三维坐标，最后实现样品表面的漫反射率和三维形貌一体成像；本发明专利技术同采用正条纹图案的传统傅里叶变换三维成像方法相比，提高了样品表面三维坐标的测量准确度，并实现了样品表面漫反射测量，进而实现漫反射率和三维形貌一体成像。反射率和三维形貌一体成像。反射率和三维形貌一体成像。

【技术实现步骤摘要】
基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法

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[0001]本专利技术基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法属于结构光三维成像


技术介绍
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[0002]基于数字条纹投射的结构光三维成像方法是应用于空间几何尺寸的精确测量和定位的一种现代光学成像方法，其具有非接触、高准确度、高效率的优点而广泛应用于工业检测、逆向工程、虚拟现实和生物医学等诸多领域。傅里叶变换三维成像方法作为一种典型的结构光三维成像方法，其仅需投射少幅甚至一幅条纹图案就可实现三维表面形貌成像，在原理上最具实时性。因此，它特别适合用于动态三维成像和在线三维成像这类实时性要求高的场合。傅里叶变换三维成像方法需要对条纹图像进行傅里叶变换、滤波和逆变换来实现三维成像，被测表面三维形貌仅由条纹图像一阶频谱分量来表征。然而，目前傅里叶变换三维成像方法普遍采用余弦正条纹图案进行投射，只能对余弦正条纹图像进行一维分割提取，致使一阶频谱分量提取质量差，结果导致被测表面三维坐标的测量准确度低。
[0003]样品表面漫反射率作为表征样品特性的物理量，是一种重要的光学指标。目前，普遍采用积分球方法实现漫反射的测量，该方法通过积分球克服漫反射测量中随机因素的影响，提高测量的稳定性和重复性，然而积分球方法仅能实现单点漫反射率测量，无法实现样品表面漫反射率成像，且测量设备价格昂贵。

技术实现思路
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[0004]为了提高样品表面三维坐标的测量准确度，同时实现样品表面漫反射率成像的功能，本专利技术公开了一种基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法，相比采用正条纹图案的传统傅里叶变换三维成像方法，本专利技术方法采用斜条纹图案实现了条纹图像频谱的二维分割提取，有效缓解了一阶频谱分量与零阶频谱分量和二阶频谱分量的混叠，有效改善了一阶频谱分量提取质量，提高了样品表面三维坐标的测量准确度，本专利技术方法还能够测量样品表面的漫反射率，进而实现了样品表面漫反射率和三维形貌一体成像。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法，包括以下步骤：
[0007]步骤a、计算机生成3幅不同频率的二维余弦斜条纹图案：
[0008][0009][0010][0011]其中，(x,y)为图案像素点坐标；I1(x,y)为第1幅二维余弦斜条纹图案像素强度，I2(x,y)为第2幅二维余弦斜条纹图案像素强度，I3(x,y)为第3幅二维余弦斜条纹图案像素强
度；I
DC
为二维余弦条纹图案的平均强度；I
AC
为二维余弦条纹图案的调制强度；和分别为二维余弦斜条纹图案I1(x,y)沿x轴和y轴的频率，和分别为二维余弦斜条纹图案I2(x,y)沿x轴和y轴的频率，和分别为二维余弦斜条纹图案I3(x,y)沿x轴和y轴的频率；
[0012]步骤b、计算机控制水平放置的投影仪将步骤a中的第1幅余弦斜条纹图案I1(x,y)垂直投射到可见光波段漫反射为98％的标准漫反射板上，CCD相机光轴与投影仪光轴相交形成夹角α，标准漫反射板上形成的余弦斜条纹图像经滤光片滤光后成像到CCD相机上以形成固定光波下的余弦斜条纹图像
[0013][0014]其中，(x0,y0)为图像像素点坐标；MTF
system
为成像系统的调制传递函数；R
ref
为标准漫反射版的漫反射率，R
ref
＝0.98；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；
[0015]步骤c、计算机控制水平放置的投影仪按时序依次将步骤a中的3幅二维余弦斜条纹图案I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)垂直投射到被测样品表面上，被测样品表面与标准漫反射板的空间深度位置相同，被测样品表面上形成的余弦斜条纹图像经滤光片滤光后成像到CCD相机上以形成固定光波下的3幅余弦斜条纹图像
[0016][0017][0018][0019]其中，(x0,y0)为图像像素点坐标；MTF
system
为成像系统的调制传递函数；R(x0,y0)为图像像素点(x0,y0)所对应的被测样品表面的漫反射率；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；轴的空间载波频率；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；轴的空间载波频率；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；
[0020]步骤d、对步骤b中的余弦斜条纹图像和步骤c中的余弦斜条纹图像和步骤c中的余弦斜条纹图像和进行二维傅里叶变换得到图像频谱：
[0021][0022][0023][0024][0025]其中，为二维傅里叶变换运算；为余弦斜条纹图像傅里叶变换后的频谱，为余弦斜条纹图像傅里叶变换后的频谱，为余弦斜条纹图像傅里叶变换后的频谱，为余弦斜条纹图像傅里叶变换后的频谱；和分别为余弦斜条纹图像沿x0轴和y0轴的空间频率；为的一阶频谱分量，且的一阶频谱分量，且为的一阶频谱分量，且的一阶频谱分量，且为的一阶频谱分量，且频谱分量，且为的一阶频谱分量，且频谱分量，且为的复共轭，为的复共轭，为的复共轭，为的复共轭；
[0026]步骤e、采用二维频域低通滤波器分隔提取出步骤d中和的零阶频谱分量和然后对和进行二维傅里叶逆变换得到余弦斜条纹图像和的直流分量MTF
system
·
R
ref
·
I
DC
和MTF
system
·
R(x0,y0)
·
I
DC
；再采用二维频域带通滤波器分隔提取出步骤d中和的一阶频谱分量和然后对然后对和进行二维傅里叶逆变换得到相应的空域表达形式和
[0027]步骤f、根据步骤e获得的余弦斜条纹图像的直流分量MTF
system
·
R
ref
·
I
DC
和余弦斜条纹图像的直流分量MTF
system
·
R(x0,y0)
·
I
DC
计算得到图像像素点
(x0,y0)所对应的样品表面漫反射率R(x0,y0)；
[0028][0029]步骤g、根据步骤e中所获得的和得到余弦斜条纹图像和的包裹相位和
[0030][0031][0032][0033]其中，atan{}为反正切函数；Im[]为取虚部函数；Re[]为取实部函数；
[0034]步骤h、根据步骤g中所获得的包裹相位和并采用基于数论的三频时间相位展开方法将包裹相位展开为绝对相位φ(x0,y0)，然后根据三角测量原理使用绝对相位φ
wrapped
(x0,y0)计算得到图像像素点(x0,y0)所对应的样品表面三维坐标X(x0,y0)、Y(x0,y0)和Z(x0,y0)；
[0035]步骤i、根据步骤f得到的样品表面漫反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于斜条纹图案的表面漫反射率和三维形貌一体成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、计算机生成3幅不同频率的二维余弦斜条纹图案：步骤a、计算机生成3幅不同频率的二维余弦斜条纹图案：步骤a、计算机生成3幅不同频率的二维余弦斜条纹图案：其中，(x,y)为图案像素点坐标；I1(x,y)为第1幅二维余弦斜条纹图案像素强度，I2(x,y)为第2幅二维余弦斜条纹图案像素强度，I3(x,y)为第3幅二维余弦斜条纹图案像素强度；I
DC
为二维余弦条纹图案的平均强度；I
AC
为二维余弦条纹图案的调制强度；和分别为二维余弦斜条纹图案I1(x,y)沿x轴和y轴的频率，和分别为二维余弦斜条纹图案I2(x,y)沿x轴和y轴的频率，和分别为二维余弦斜条纹图案I3(x,y)沿x轴和y轴的频率；步骤b、计算机控制水平放置的投影仪将步骤a中的第1幅余弦斜条纹图案I1(x,y)垂直投射到可见光波段漫反射为98％的标准漫反射板上，CCD相机光轴与投影仪光轴相交形成夹角α，标准漫反射板上形成的余弦斜条纹图像经滤光片滤光后成像到CCD相机上以形成固定光波下的余弦斜条纹图像定光波下的余弦斜条纹图像其中，(x0,y0)为图像像素点坐标；MTF
system
为成像系统的调制传递函数；R
ref
为标准漫反射版的漫反射率，R
ref
＝0.98；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；步骤c、计算机控制水平放置的投影仪按时序依次将步骤a中的3幅二维余弦斜条纹图案I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)垂直投射到被测样品表面上，被测样品表面与标准漫反射板的空间深度位置相同，被测样品表面上形成的余弦斜条纹图像经滤光片滤光后成像到CCD相机上以形成固定光波下的3幅余弦斜条纹图像机上以形成固定光波下的3幅余弦斜条纹图像机上以形成固定光波下的3幅余弦斜条纹图像机上以形成固定光波下的3幅余弦斜条纹图像其中，(x0,y0)为图像像素点坐标；MTF
system
为成像系统的调制传递函数；R(x0,y0)为图像像素点(x0,y0)所对应的被测样品表面的漫反射率；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；轴的空间载波频率；和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；轴的空间载波频率；
和分别为余弦斜条纹图像沿相机像面坐标系x0轴和y0轴的空间载波频率；步骤d、对步骤b中的余弦斜条纹图像和步骤c中的余弦斜条纹图像和步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：于双，邹旭彤，赵烟桥，吴爽，杨文龙，吴海滨，孙晓明，于晓洋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：