基于表面几何特性的结构光重建颜色校正方法技术

基于表面几何特性的结构光重建颜色校正方法，本发明专利技术涉及结构光颜色信息重建过程中的一种颜色校正方法。其步骤是：（ａ）利用结构光系统获取被测表面采样点的三维数据和颜色数据，依次将每个采样点作为中心采样点，根据中心采样点和其邻域内多个采样点的三维数据拟合空间曲面，在其上过中心采样点作切面。（ｂ）以切面表征表面局部几何特性，针对切面作入射光强分析和反射光强分析，计算出中心采样点的颜色校正系数。（ｃ）利用各中心采样点的颜色校正系数校正颜色数据。本方法在结构光系统获取三维数据和颜色数据的基础上，直接根据三维数据分析表面几何特性及其对颜色数据的影响，修正该影响，得到真实颜色信息。本方法在工业和民用领域有着广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视觉测量与重建
，尤其涉及结构光颜色信息重建过程中的一种颜色校正方法。
技术介绍
在逆向工程、快速原形等领域，获取物体三维信息和颜色信息进而完成物体表面 形状和颜色的重建有着迫切的需求。视觉测量以图像为基础获取物体三维信息和颜色信 息，是满足上述需求最为有效的手段，具有非接触、高效高速、高度自动化、低成本等优点， 可应用于医学、考古、服装、雕刻、汽车、家电等行业。视觉三维测量技术包括结构光、立体图像、全息法、激光雷达等多种原理，其中结 构光法具有成本低、分辨率高和速度快的优势并最具实用性。结构光法向物体投射光图案， 采集编码图像后根据三角法得到物体表面三维坐标。在诸多三维数字化应用中除了对三维信息的需求还存在对颜色信息的需求。目前，一些研究机构对颜色信息获取技术做出了研究。通常可将颜色获取技术分 为扫描法和图像法。扫描法投射不同波长的光条，分析反射光条的R、G、B分量值，从而获取 光条上点的颜色信息，通过扫描完成全部颜色信息的获取。图像法在白光条件下拍摄物体 表面的彩色图像，从像素中提取全部采样点的颜色信息。在扫描法方面，加拿大NRCC研究中心研制的彩色激光三维扫描仪，分别投射R、G、 B激光光条，拍摄相应的分量灰度图像，合成颜色信息。主要应用于考古学对化石表面的形 貌和颜色分析；日本Minoalta的Vi9i系列便携式激光扫描仪，也采用类似的思路，在黑白 CCD前加装旋转阵列滤光片，分别采集滤光后的R、G、B分量。扫描法具有较高的准确度，但 每幅图像只能获取一个光条上的颜色信息。因此需要拍摄多幅图像才能完成整体颜色信息 的采集，计算量庞大、效率较低。在图像法方面，IBM技术中心采用五个位置各异的场景照明光源，分别采集五幅彩 色图像。根据数据点在五幅图像中不同的R、G、B值，结合投射方向对颜色信息进行修正；斯 坦福大学分别在开启和关闭照明光源的情况下拍摄两幅彩色图像，结合表面粗糙度特性， 对颜色信息进行修正；天津大学拍摄物体的24位彩色图像，直接在彩色图像中提取采样点 对应像素的颜色信息；专利200810052246. 8提供了一种双摄像机颜色渲染方法，易于实现 且渲染准确度较高。图像法减小了计算量，提高了效率，但均未考虑物体表面三维几何特性 对成像颜色的影响，如何获取真实颜色进行颜色重建成为需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对结构光颜色重建方法的不足，提供一种物体表面重建颜色 校正方法，基于表面的几何特性进行光强分析、计算颜色校正系数，进而得到准确的被测表 面颜色信息。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是提供一种，步骤包括1.利用结构光系统获取被测表面采样点的三维数据和颜色数据，依次将每个采样 点作为中心采样点，根据中心采样点和其邻域内多个采样点的三维数据拟合空间曲面，在 空间曲面上过中心采样点作切面。2.以切面表征被测表面局部几何特性，针对切面作入射光强分析和反射光强分 析，进而计算出中心采样点的颜色校正系数。 3.利用各中心采样点的颜色校正系数校正其颜色数据。所述的，在第1步中，三维数据以 空间坐标(x，y，z)存储、颜色数据以(R，G，B)值存储。以空间坐标(x，y，z)存储的三维信 息便于表面几何特性分析，以(R，G，B)值存储的颜色信息便于校正。所述的，在第1步中，中心采样点 的领域定义为，与中心采样点距离最小的4个采样点。中心采样点结合4个相邻采样点拟 合的空间曲面能够准确地反映中心采样点处的局部表面几何特性。所述的，在第2步中，入射光强分 析为投影仪投射的光能总量一定，则单位面积上的入射光强与总投射面积成反比，总投射 面积与入射距离和入射角有关。在入射角确定的前提下，总投射面积与入射距离的平方成 正比，因此入射光强与入射距离的平方成反比；在入射距离确定的前提下，总投射面积与入 射角正弦值的平方成反比，因此入射光强与入射角正弦值的平方成正比。综合考虑每个中 心采样点切面的入射距离和入射角，可计算出入射光强校正系数。被测表面几何特性变化 带来了中心采样点切面的入射距离和入射角变化，从而带来了入射光强变化，导致了中心 采样点的颜色信息受到入射光强变化的影响，上述分析可消除这种影响。所述的，在第2步中，反射光强分 析为被测表面反射至摄像机的反射光强符合朗伯(Lambert)模型。据此可计算每个中心 采样点切面反射光强校正系数。被测表面几何特性变化带来了中心采样点切面的反射角变 化，从而带来了反射光强变化，导致了中心采样点的颜色信息受到反射光强变化的影响，上 述分析可消除这种影响。所述的，在第2步中，中心采样点 的颜色校正系数由入射光强校正系数和反射光强校正系数相乘得出。所述的，在第3步中，中心采样点 的颜色数据(R，G，B)值与相应的颜色校正系数相乘，再线性拉伸到之间，得到校正后 的颜色数据。所述的入射距离为中心采样点与投影仪镜头中心之间的距离；入射角为中心采样 点和投影仪镜头中心连线与切面的夹角。有益效果1.本专利技术在结构光系统获取三维数据和颜色数据的基础上，直接根据三维数据分 析表面几何特性及其对颜色数据的影响，进而修正该影响，得到校正的真实颜色信息。现有 的结构光系统以获取物体三维信息为主要目的。随着逆向工程需求的发展，结构光系统的 发展趋势是，获取物体三维信息的同时，获取颜色信息进而完成物体表面形状和颜色的重 建。目前，获取颜色信息的手段主要有扫描法和图像法，但均未考虑表面三维几何特性对颜色信息的影响。为此，本专利技术在结构光系统的基础上，提出了一种利用结构光系统获取的 三维信息校正获取的颜色信息的方法。该方法的优点在于①三维信息直接来源于结构光 系统而无需另外获取；②被测表面三维几何特性会对各局部的入射光强和反射光强产生影 响，该影响导致各局部的颜色信息失真。校正前的颜色信息的R、G、B分量误差可达0. 3(R、 G、B分量的取值范围在0到1之间)，校正后的颜色信息的R、G、B分量误差均小于0. 02。 而人眼对R、G、B分量的分辨率约为0. 02，即人眼无法分辨校正后的颜色信息误差，因而能 获得良好的视觉效果。利用本方法获取的颜色信息与实际被测表面趋于一致。2.本专利技术中三维数据以空间坐标(X，y，ζ)存储，而不以极坐标等其它形式存储， 便于确定中心采样点及其临域、便于拟合空间曲面；颜色数据以(R，G，B)值存储，而不以 (H，S，I)值等其它形式存储，便于通过颜色校正系数校正R、G、B分量而完成颜色信息的校 正，而无须分别考虑颜色信息的色调、饱和度、强度等。此外，根据被测表面某采样点的三维 信息(x，y，z)，对应计算该点位于彩色图像上的颜色信息(R，G，B)，整合即得到三维-颜色 信息(X，1, z-R, G，B)，便于完成物体表面形状和颜色的重建。3.本专利技术选取与中心采样点距离最小的4个采样点作为中心采样点的领域，优点 是①与中心采样点距离最近的点能够最准确地反映中心采样点局部的三维几何特性；② 如果选取的采样点个数小于4，则不能完整地反映中心采样点附近各方向的三维几何特性； 如果选取的采样点个数大于4，则拟合的曲面不仅仅反映中心采样点局部三维几何特性而 受其它局部影响。此外，选择4采样点降低了运算的复杂程度，加快了程序的运行速度。4.被测表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面几何特性的结构光重建颜色校正方法，其特征是：该方法包括步骤：（１）利用结构光系统获取被测表面采样点的三维数据和颜色数据，依次将每个采样点作为中心采样点，根据中心采样点和其邻域内多个采样点的三维数据拟合空间曲面，在空间曲面上过中心采样点作切面；（２）以切面表征被测表面局部几何特性，针对切面作入射光强分析和反射光强分析，进而计算出中心采样点的颜色校正系数；（３）利用各中心采样点的颜色校正系数校正其颜色数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海滨，于晓洋，王洋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]