一種基于彩色條紋組合投射的快速強反射表面相位獲取方法技術

一種基于彩色條紋組合投射的快速強反射表面相位獲取方法，它有十三個步驟。傳統基于正弦條紋投射的三維形貌立體視覺檢測方法包括條紋投射與圖像采集、相位解算、立體匹配和三維復現，本發明專利技術在條紋投射的過程中，利用不同顏色的光亮度不同的特點，針對被測物不同區域反射率不同的問題，將彩色光組合后進行投射，同時在圖像采集的過程中，使用不同的相機曝光時間，有效克服強反射表面引起的相機采集條紋圖像飽和或條紋圖像過暗，能夠實現金屬等強反射表面立體視覺檢測過程中相位的有效獲取。該方法具有快速、簡單、可靠性好的特點，可用于金屬等強反射表面三維形貌的光學非接觸測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，該方法能夠有效解決具有強反射表面物體進行三維形貌測量時大量點相位獲取失敗的問題，可用于金屬等強反射表面的高精度的三維形貌測量，也可用于反射率變化較大的物體表面三維形貌測量。本專利技術屬于光學三維測量

技術介紹
基于正弦條紋投射的立體視覺檢測方法作為典型的非接觸光學主動三維測量方法，廣泛應用于三維形貌測量、逆向工程和質量檢測等諸多領域。但在測量金屬等強反射表面三維形貌時，這種主動視覺的方法往往會失效。主要原因在于，對于金屬等具有強反射表面的物體來說，物體表面的強反射性質使得相機采集到的圖像部分飽和或過暗，產生信息 失真，導致相位解算的失敗，進而引起測量精度的大幅下降，甚至難以進行正常測量。針對這一問題，國內外提出了不同的解決方法。如利用被測物體表面在不同角度下反光區域也不盡相同的特點，避開鏡面反射區域，利用漫反射進行多角度局部測量，再整體拼接成完整被測表面，此方法在整體拼接過程會引入誤差，影響測量精度，同時測量時間大大增長。再有，利用被測物體表面鏡面反射和漫反射的不同偏振特性，在觀測相機前加裝偏振片，利用偏振片濾除具有偏振特性的鏡面反射，只讓漫反射光進入觀測相機，從而實現測量，但對金屬等物體表面來說，漫反射光較弱，降低了測量精度。另外，采用向具有強反光表面噴涂某種粉末，使被測物體呈現漫反射特性，以利于光學三維測量，但是，粉末厚度的不確定性增加了測量誤差，同時噴涂過程需要大量時間。總之，目前國內外在強反射表面三維形貌的非接觸光學主動三維測量方面沒有一個完備的能夠實現快速相位獲取的方法，本專利技術針對此問題提出了一種簡便、快速、可靠的方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，以克服現有非接觸光學主動三維測量方法在測量強反射表面三維形貌時的無法完成相位解算的問題。本專利技術的技術解決方案為先投射不同顏色的單色光，并在不同曝光時間下采集圖像，根據調制亮度最佳的原則，將獲取到的多幅單色圖像進行提取，獲得每一視場下每一點實現調制亮度最佳的投射組合。再投射白光正弦條紋，并在不同曝光時間下采集條紋圖像，對獲得的圖像進行處理、解相、相展開，獲取最終的全場相位解算結果。其特征在于包括以下步驟步驟一設置曝光數組T=ITJ, i = 1,2, ...,η ；步驟二 使用投影儀分別投射灰度值為Α+Β的紅、綠、藍單色光；步驟三調整相機曝光時間，使其在Ti, i = 1，...，η的曝光時間下分別拍攝投影儀投射的紅、綠、藍單色光，分別獲得單色圖像數組PR= {PRi}，i = l，2，...，n、PG= {PGJ，i=l, 2，· · ·，η、PB= {PBj，i=l, 2,. . . , n ；步驟四使用投影儀分別投射灰度值為A的紅、綠、藍單色光；步驟五調整相機曝光時間，使其在Ti, i = 1，...，η的曝光時間下分別拍攝投影儀投射的紅、綠、藍單色光，分別獲得單色圖像數組PR1={PR, i}，i = l，2，...，n、PGl=IPG'丄 i=l, 2，· · ·，n、PBl={PB' J , i=l, 2,. . . , n ；步驟六計算得到3n個調制亮度矩陣，建立調制亮度數組I=UiKi =I y 2 y ■ ■ ■ ^ 3 η ;步驟七對于調制亮度數組中的每個元素，順序賦予其編號，建立編號數組 S= {sj, i = I, 2,. . . , 3n ；步驟八對于原始尺寸為X*Y大小的圖像,建立大小為Χ*Υ的索引數組M ;步驟九對于圖像中的每一點P (X，y)，遍歷其在調制亮度數組I中每個調制亮度矩陣中對應的元素，將其調制亮度最大值所在的調制亮度矩陣對應的編號S存入索引數組M對應的(x，y)中；步驟十分別投射不同曝光時間Ti, i = 1，. . .，η下的白光條紋及其相移；白光條紋及其相移條紋的光強函數可以表述為gi (X，y) = a (x, y) + r (x, y) cos 。式中符號說明如下gi(x, y)為第i幅圖的光強分布函數，a(x, y)為背景光強函數，r(x, y)為被測表面反射系數，Φ (X，y)為相位主值，N為相移的步數。步驟^^一 在不同曝光時間Ti下拍攝其對應的白色條紋相移圖；步驟十二將每幅白色條紋相移圖拆成紅、綠、藍單色條紋相移圖，根據索引數組M，保留相應的每幅單色條紋相移圖中的有效像素；步驟十三對于每一曝光時間，均有一組對應的相移圖。將所有的不同曝光時間獲取的相移圖進行疊加、合并，獲得一組全場的合成相移圖，并對其進行解相、相展開計算，獲得全場最終的相位解算結果。其中，步驟一中的曝光數組T中包含多個曝光時間，總計為η個，按照從短到長依次排列。其中，步驟二中所述的灰度值Α+Β，對于常見的商用投影設備來說，其灰度范圍一般為0 255。其中，步驟六中所述的的調制亮度數組中的元素為調制亮度矩陣。每個調制亮度矩陣為對應曝光時間、對應顏色的兩幅圖像相減獲得，曝光時間共η種，顏色共三種，總計3η個調制亮度矩陣，建立調制亮度數組I。其中，步驟七中所述的的調制亮度數組元素，根據其來源圖像的顏色，按照紅、綠、藍的順序；根據其來源圖像的曝光時間，按照由小到大的順序，給數組中的每一個調制亮度矩陣賦予一個唯一的編號s,兀素和編號對應，建立編號數組S={s3n}； 其中，步驟九中所述的圖像中的每一點p(x，y)，其在每個調制亮度矩陣中都有對應的調制亮度值，總計3n個調制亮度值。對這3n個調制亮度值進行遍歷搜索，記最大值為應的調制亮度矩陣為im，im在編號數組S中對應的編號為S，將s存入索引數組M對應的位置(x，y)中。其中，步驟十二中所述的將每一幅白光條紋圖拆分成三幅紅、綠、藍單色條紋圖，遍歷索引數組M，將索引數組M中每一編號對應的條紋圖中的像素值保留，條紋圖中的其它像素值均置為零。本專利技術的原理是不同顏色的光亮度不同，經單色相機采集后成為具有天然亮度差值的圖像。針對強反射表面不同區域某些條紋圖像飽、某些條紋圖像過暗的問題，本專利技術采用三種不同顏色組合成彩色圖像進行投射、多曝光時間采集圖像，克服強反射表面引起的條紋圖像飽和或條紋圖像過暗。投射綠光的部分，提高了強反射表面的非高反光區域條紋亮度，改善條紋圖像過暗對測量的影響；投射藍光的部分，降低了強反射表面的高反光區域條紋亮度，降低條紋圖像飽和的可能性；投射紅光的部分則適合表面反射率變化不強烈的折中區域。采用多曝光時間方法，采集并生成高動態范圍的具有高調制亮度的條紋圖像，提高相機能夠正確采集的亮度范圍，降低條紋圖像飽和與條紋圖像過暗的可能性；根據以上原理，可以實現強反射表面條紋圖像的正確相位解算，避免條紋圖像失真對測量的不利影響。本專利技術與現有技術相比的優點在于(I)廣泛適用于各種基于相位投射的強反射表面三維形貌測量，適應性強。(2)無需添加任何新的硬件，方法簡便實現成本較低。(3)在不影響精度的前提下，速度快且可靠。附圖說明圖I為本專利技術一種基于彩色條紋組合投射的快速強反射表面相位解算方法流程具體實施例方式見圖1，本專利技術一種基于彩色條紋組合投射的快速強反射表面相位解算方法，其特征在于包括以下步驟(I)設置曝光數組 T=ITJ, i = I, 2, ... ,η ；其中，曝光數組T中包含多個曝光時間，總計為η個，按照從短到長依次排列。(2)使用投影儀分別本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于彩色條紋組合投射的快速強反射表面相位獲取方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：步驟一：設置曝光數組T={Ti},i＝1,2,...,n；步驟二：使用投影儀分別投射灰度值為A+B的紅、綠、藍單色光；步驟三：調整相機曝光時間，使其在Ti,i＝1,...,n的曝光時間下分別拍攝投影儀投射的紅、綠、藍單色光，分別獲得單色圖像數組PR={PRi},i＝1,2,...,n、PG={PGi},i=1,2,...,n、PB={PBi},i=1,2,...,n；步驟四：使用投影儀分別投射灰度值為A的紅、綠、藍單色光；步驟五：調整相機曝光時間，使其在Ti,i＝1,...,n的曝光時間下分別拍攝投影儀投射的紅、綠、藍單色光，分別獲得單色圖像數組PR1={PR′i},i＝1,2,...,n、PG1={PG′i},i=1,2,...,n、PB1={PB′i},i=1,2,...,n；步驟六：計算得到3n個調制亮度矩陣，建立調制亮度數組I={Ii},i＝1,2,...,3n；步驟七：對于調制亮度數組中的每個元素，順序賦予其編號，建立編號數組S={si},i＝1,2,...,3n；步驟八：對于原始尺寸為X*Y大小的圖像，建立大小為X*Y的索引數組M；步驟九：對于圖像中的每一點p(x,y)，遍歷其在調制亮度數組I中每個調制亮度矩陣中對應的元素，將其調制亮度最大值所在的調制亮度矩陣對應的編號s存入索引數組M對應的(x,y)中；步驟十：分別投射不同曝光時間Ti,i＝1,...,n下的白光條紋及其相移；白光條紋及其相移條紋的光強函數表述為：gi(x,y)＝a(x,y)＋r(x,y)cos[Φ(x,y)＋i*2π/N]； 式中符號說明如下：gi(x,y)為第i幅圖的光強分布函數，a(x,y)為背景光強函數，r(x,y)為被測表面反射系數，Φ(x,y)為相位主值，N為相移的步數；步驟十一：在不同曝光時間Ti下拍攝其對應的白色條紋相移圖；步驟十二：將每幅白色條紋相移圖拆成紅、綠、藍單色條紋相移圖，根據索引數組M，保留相應的每幅單色條紋相移圖中的有效像素；步驟十三：對于每一曝光時間，均有一組對應的相移圖；將所有的不同曝光時間獲取的相移圖進行疊加、合并，獲得一組全場的合成相移圖，并對其進行解相、相展開計算，獲得全場最終的相位解算結果。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙慧潔，梁宵月，姜宏志，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：