專利名稱：不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物體表面觀察與測量的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不同 反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
在許多科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)域，人們依靠肉眼或低倍放大鏡觀測物體表面的 形態(tài)及其質(zhì)量，往往獲得某個視角方向上片面和失真圖像的視覺信息或正視物體表面時 真實看到一幅平面圖像的二維尺寸，卻丟失(聚縮)了該表面垂直方向的第三維深度信息； 或斜視物體表面時失真看到軸測投影方向的立體圖像，其視覺中的表面形狀發(fā)生了變形， 相機從這些視角方向紀錄下的軸測圖像都沒有可度量性。因此，目前眾多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域觀 察與檢測物體表面形態(tài)及其質(zhì)量的傳統(tǒng)方法，普遍存在著以面代體或者變形失真地獲取物 體表面信息的片面性和主觀性這一不足?，F(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)可以構(gòu)建物體表面宏觀形貌的三維圖像，并從多個視 角方向?qū)αⅢw圖像旋轉(zhuǎn)觀察，利于人們獲得所需要的視覺信息。目前主要采用多目成像技 術(shù)，例如飛機對一地面從兩個以上的角度拍攝所獲得的多幅二維遙感數(shù)字圖像，就可以合 成具有立體感的三維宏觀形貌圖像。至于單目成像技術(shù)，即依據(jù)一幅平面圖像的灰度層次 信息來恢復(fù)第三維尺寸的方法，受到攝入圖像中目標和背景物很多因素的制約，構(gòu)建其表 面三維宏觀形貌的復(fù)雜程度和技術(shù)難度較大，在國內(nèi)外仍處于理論探討與初級技術(shù)階段， 經(jīng)檢索可知此方面的專利技術(shù)很少。本發(fā)明人曾申報并公開了發(fā)明專利(200610105318. 1) 《基于數(shù)字圖像技術(shù)三維重構(gòu)金相組織微觀浮凸的方法》，從一幅金相組織數(shù)字圖像的灰度 差信息提取金相組織微觀浮凸的高低差信息；繼而又申報了發(fā)明專利(2007100118542. 1) 《基于數(shù)字圖像技術(shù)構(gòu)建金屬表面層三維宏觀形貌的方法》，從金屬表面的一幅數(shù)字圖像的 灰度差信息提取其表面凸凹層的高度差信息。二者都是垂直光照單一金屬具有相同反射率 的表面層所提取的一幅二維灰度成像，但分別從微觀和宏觀建立了不同的圖像灰度差 表 面層高度差的映射關(guān)系模型，實現(xiàn)了金屬材料微觀和宏觀三維形貌的構(gòu)建。同上述發(fā)明相 似之處本發(fā)明《一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法》，仍然要從一幅 數(shù)字圖像的灰度差提取物體表面層的高度差信息；同上述發(fā)明不同之處是垂直光照的是 不同材質(zhì)表面所拍攝的一幅二維成像，或者說一幅二維數(shù)字灰度圖像中同時含有多個不同 反射率的組合表面，那么，同時建立多種材質(zhì)表面的圖像灰度差 二維表面層高度差的映 射關(guān)系模型就更為復(fù)雜。因為等高度表面層上反射率較大的材質(zhì)較亮，反射率較小的材質(zhì) 較暗；或者說看起來同樣亮度的兩種材質(zhì)，反射率較大的材質(zhì)表面層高度較低，反射率較小 的材質(zhì)表面層高度較高。如果用同一個反射率代替多個不同反射率去建立圖像灰度差 二 維表面層高度差的映射關(guān)系模型，就會使實際反射率較小的材質(zhì)表面層高度構(gòu)建過低，相 對成為“假深谷”；而使反射率較大的材質(zhì)表面層高度構(gòu)建過高，相對成為“假高峰”。經(jīng)檢 索，在物體表面觀察與測量的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域尚未發(fā)現(xiàn)適合于多種反射率材質(zhì)組合表面的三 維宏觀形貌構(gòu)建方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌 構(gòu)建方法，以全面、客觀地體現(xiàn)含有復(fù)雜材質(zhì)表面物體三維宏觀形貌的信息。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，對含有不同反射率材質(zhì) 組合表面的一幅二維數(shù)字圖像，按組合表面的不同反射率材質(zhì)對圖像進行區(qū)域分割，分割 成多個單一反射率表面的子圖像，其區(qū)域分割的表達式是/(X,少)= /； (U.) (n e Z，η 彡 2，Gimin ^ gi ^ Gimax)
J=I上式中f(x，y)是一幅原始的二維數(shù)字圖像Ji(Xpyi)是分割成某個反射率1^子 表面的二維子圖像，Gifflin Gimax是該子圖像灰度值gi的范圍；然后設(shè)計不同反射率材質(zhì)組 合表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型；根據(jù)映射關(guān)系模型，二維數(shù)字圖像不 同的灰度值映射出不同反射率材質(zhì)組合表面的第三維高度值，并匹配到三維空間諸點，編 制成在計算機上運行的三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)；將二維數(shù)字圖像輸入三維宏觀形貌構(gòu)建系 統(tǒng)，獲得不同反射率材質(zhì)組合表面三維宏觀形貌的圖像，調(diào)整視角可以顯示不同視角方向 的三維宏觀形貌的圖像。所述的不同反射率材質(zhì)組合表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型及 其三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，采用“二維分建三維——三維標高拼合”的第一種方案實現(xiàn)，其 中“二維分建三維”是對分割出的某個單一反射率子表面的二維子圖像分別構(gòu)建三 維宏觀形貌的子模型及其子系統(tǒng)，某個單一反射率子表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度映射 關(guān)系的子模型表達式是
toon] h = \~-——上式中hi是某個二維子圖像fi (Xi，yi)映射的反射率為ki的表面層第三維高度；“三維標高拼合”是用多個子表面層三維宏觀形貌的子圖像，按標高拼合成一幅不 同反射率材質(zhì)組合表面層完整的三維宏觀形貌圖像，其表達式是
Jck
_4]Ji(Xny^h1) (η ^ ζ, η ^ 2 ；J-Glmin^gl < ^Glmax)
/=1aI1上式中fi(Xi，hi)是某個子表面層的二維子圖像fi(Xi，Yi)所構(gòu)建的反射率為
ki的三維宏觀形貌子圖像，|6111111 |<71_是三維宏觀形貌子圖像40^41，、)灰度值gi
的范圍，f (X，y，h)是拼合完成的組合表面層三維宏觀形貌圖像；對η個子表面層的子圖像 ^(Xi, Yi^hi)標高拼合時，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)它們的視角方向保持一致，并以其中最小反射率&子表 面的一個二維子圖像A(X^y1)的最小灰度Glmin，即構(gòu)成三維子圖像AO^y1, hi)的最小灰 ，作為整個表面層的零高度基準，其他n-1子表面層的零高度相應(yīng)子圖像的最小灰度
是 Glmin。
K所述的不同反射率材質(zhì)組合表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型及 其三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，采用“二維灰度增強——二維合建三維”的第二種方案實現(xiàn)，其 中“二維灰度增強”是從分割出的多個單一反射率表面的二維子圖像中，選定一個表 面反射率最小的子圖像灰度作為基準，在這個基準子圖像與其余子圖像之間，逐個用基準
上式中J1Oq, Yl)是選作基準的最小反射率為Ic1表面的一個子圖像，
是被反射率比值^加權(quán)的其余n-1個子圖像，^Glmin "^Glmax是這些加權(quán)子圖像灰度值gi
的范圍，f' (χ, y)是所有η個子圖像組合代替原始圖像的一幅被改造的二維數(shù)字圖像；“二維合建三維”是視這幅被改造的二維數(shù)字圖像為輸入圖像，建立單一反射率Ic1 表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系子模型，其表達式是 h'= ~^~
V/ W) = k^ —, f(xf(x νΛ (η e Ζ, η ^ 2, <σ'<ΚΓ )
^/lC^l^l)^-/iC^l'^JcjImin ^ S<>lmax,上式中f' (x, y)是被改造代替原始圖像的一幅二維數(shù)字圖像，h'是被改造的 二維數(shù)字圖像相應(yīng)的表面層高度，Glmin ^LGlmax是被改造的二維數(shù)字圖像灰度值g'的 范圍，km是組合表面材質(zhì)中的最大反射率。本發(fā)明提供的不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，把數(shù)字圖像的 三維構(gòu)建技術(shù)應(yīng)用于物體復(fù)雜表面觀察及其檢測的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，通過本發(fā)明不同反射率 材質(zhì)組合表面層高度 二維圖像灰度的映射關(guān)系模型及其三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，將多種 反射率材質(zhì)組合表面的一幅二維數(shù)字灰度圖像，構(gòu)建成三維宏觀形貌圖像，即將一幅固定 視角的靜態(tài)平面圖像變成多視角的動態(tài)立體圖像，有利于在空間全方位觀察及其檢測物體 表面形態(tài)及其質(zhì)量，具有更加廣泛的實用價值。在擴展點光源垂直照射下多種反射率材質(zhì) 組合表面的一幅照片，例如正午陽光照射下具有多種反射率復(fù)雜地質(zhì)表面的一幅攝影，就 能按照本發(fā)明的方法構(gòu)建其表面的三維宏觀形貌圖像。再如我們看慣的材質(zhì)二維表面宏觀 缺陷，例如物體表面坑洞、表面裂縫等三維空間形貌鮮為人知，本發(fā)明僅憑表面缺陷的一幅 二維圖像，就能夠構(gòu)造出缺陷的三維宏觀形貌圖像，并可以變換視角、從各個視角方向觀察 和分析它們。要探明多種反射率材質(zhì)組合表面裂紋的深度，一般都要實際測量；但從本發(fā)明 的虛擬三維造像上就能輕而易舉得到穿越缺陷的橫剖面，從虛擬樣品的橫剖面上度量其深 度，這種避實就虛的測量方法是過去從來沒有過的創(chuàng)舉。本發(fā)明改造了以往依靠肉眼或者 低倍放大觀測物體二維表面圖像的傳統(tǒng)方法，克服了僅僅以二維形貌代替三維形貌的主觀 性與片面性，從多種不同反射率材質(zhì)的物體組合表面采集一幅二維圖像，在計算機視頻能 夠快速構(gòu)建并實時顯示其三維宏觀形貌圖像，顯示客觀、立體感強、視角可變、易于測量、成 本較低、便于普及。在觀察與檢測物體表面形貌的多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，有獲取表面凸凹層與 表面缺陷的第三維視覺信息的重大實用價值，創(chuàng)造性地開始了三維表面狀態(tài)質(zhì)量的觀察和 檢測技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工廠企業(yè)產(chǎn)品表面的質(zhì)檢分析以及科研院所的材料研究和大專院
6校的專業(yè)教學(xué)。本發(fā)明創(chuàng)新之處在于適合任何不同反射率材質(zhì)搭配所構(gòu)成宏觀組合表面的 物體，因此具有更加廣泛的實用價值。
圖1擴展點光源輻射目標物組合表面層的光學(xué)示意2幾種不同反射率材質(zhì)的表面層高度 二維圖像灰度映射關(guān)系曲線圖3a不同反射率材質(zhì)組合表面層三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)第一種方案流程3b不同反射率材質(zhì)組合表面層三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)第二種方案流程4a兩種不同反射率材質(zhì)的多層表面俯視4b兩種不同反射率材質(zhì)表面層高度 二維圖像灰度映射關(guān)系曲線圖4c反射率k2表面所構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像圖4d反射率Ic1表面所構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像圖4e圖4c，圖4d兩部分合起來的三維宏觀形貌效果4f圖4a中所有表面反射率均取1時構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像圖5a物體多層表面的俯視5b材質(zhì)表面反射率k1; k2同取1時所構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像圖5c區(qū)分材質(zhì)表面(左上、和右下區(qū)域反射值Ii1取0. 5，左下、右上區(qū)域反射值k2 取1)時所構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像圖6a浮雕藝術(shù)作品俯視攝影的二維圖像圖6b從圖6a作品不同反射率材質(zhì)表面構(gòu)造的三維宏觀形貌圖像圖7a湖泊俯視遙感的二維圖像圖7b從圖7a不同反射率地表構(gòu)造的三維宏觀地貌圖像圖8a脫落鉚釘頭的鍋爐鋼板表面照片圖8b圖8a的局部三維宏觀形貌圖像圖9a鑄鋼樣品磨面上的大型硅酸鹽夾雜物照片圖9b圖9a的局部三維宏觀形貌圖像圖IOa熱軋鋼坯料磨面上的異金屬夾雜物照片圖IOb圖IOa的局部三維宏觀形貌圖像具體實施方式
用普通相機對物體宏觀表面采樣拍攝時，一般來說物距遠大于相 機鏡頭的焦距及像距，成像照度保持不變，即圖像灰度不隨相機與物體宏觀表面距離的改 變而改變。在這種光學(xué)成像條件下，相機視屏采集到的圖像灰度率主要取決于光源與物體 宏觀表面的距離。我們用點光源或者擴展點光源輻射一個目標物，然后用相機拍攝目標物得到一幅 二維圖像，如果是連續(xù)圖像必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，如果是彩色圖像還須轉(zhuǎn)換成灰度圖像，從 這幅數(shù)字圖像的灰度差映射物體表面層的高度差，建立表面層高度與圖像灰度的映射關(guān)系 模型。如圖1所示一個擴展點光源照射兩種不同反射率材質(zhì)組成的表面層，點光源沿 0' 0〃軸向的光源面元COS Θ ds以立體角dΩ向目標物的上下兩層表面A'、Α〃輻射； cos θ dS與沿光源法線N方向的dS之間有夾角為θ ；目標物沿0' 0"分為左右兩半左半反射率&的材質(zhì)的上下兩層表面分別為A' ”A"工，右半反射值Sk2的另一種材質(zhì)的上下 兩層表面分別為A' 2、A〃 2;目標物上下兩層表面A'、A〃分別與光源面元cos θ dS的距 離為h'、h〃。一個被光線照射物體的表面的照度函數(shù)E為 上式dA是被光線照射目標物表面積A的面元，dO是dA上照射的光通量(1Φ = Bd Ω dScos θ (其中B為光源亮度)。式1表明光通量Φ不變時照度函數(shù)E與表面積A成反比，從圖1看出被照射的圓 面積A與其半徑的平方r2成正比、也與光源面元cos θ dS的距離的平方h2成正比，即照度 函數(shù)E與距離的平方h2成反比 因此，被點光源照射距離越遠的目標物層面，照度越低；被點光源照射距離越近的 目標物層面，照度越高；照度差可以映射目標物層面之間的高度差。—個簡單的成像模型是f(x,y) = i(x,y)r(x, y)(式 3)上式中圖像函數(shù)f(x，y)可看成一個二維亮度函數(shù)(將圖像看作一個光源)，其 亮度值范圍0 < f(x, y) ；f(x, y)也表示一幅圖像的灰度函數(shù)，其灰度值g范圍 Gmin彡g彡Gmax ；照度函數(shù)i(x，y)是入射到可見場景上的光量，其照度范圍0 < i(x, y)
；反射函數(shù)r(x，y)具體為場景中目標物對入射光反射的比值，其反射范圍0<r(x， y) < 1.以照度函數(shù)E的表達式2取代式3中的照度函數(shù)i (X，y)，且令同一材質(zhì)的目標物 不同層面對某點上方的相機的漫反射函數(shù)r(x，y)設(shè)為k值，得到
(式 5)上式中Gmin Gmax為一幅二維圖像灰度值g的范圍，h是反射率為k的表面層高度。式5是同一反射率材質(zhì)表面層高度 二維圖像灰度的映射關(guān)系模型，如果是不同 反射率材質(zhì)的組合表面，某個反射率表面層高度 二維圖像灰度映射關(guān)系的子模型表達式 是
(式 6)上式中Gimin Gimax是某個二維子圖像fi (xi; Yi)灰度值gi的范圍，Iii是該子圖像 相應(yīng)反射率&表面層的第三維高度。因此要按組合表面的不同反射率材質(zhì)對圖像進行區(qū)域分割，分割成多個單一反射 率表面的子圖像，其區(qū)域分割的表達式是
f{x,^) = U/(χ,(η e Ζ, η ^ 2, Gimin ^ gi ^ Gimax)(式 7)
i=l上式中f(x，y)是一幅二維數(shù)字灰度圖像，fiOq^)是分割成某個反射率Ici子表 面的子圖像，Gifflin Gimax是它灰度值gi的范圍。從分割出的多個單一反射率表面的二維子圖像中，選定一個最小反射率表面的子 圖像作為基準，在這個基準子圖像與其余子圖像之間，在它們每一些相等的表面層高度上， 可以導(dǎo)出表面反射率與圖像灰度值的比例關(guān)系表達式，如式8:=4 (式 8)因此可以進一步用基準子圖像灰度的加權(quán)來取代其余子圖像，其表達式如式9
k/,(X^yi) = -Tfi(Xiryi)(式 9)
K上兩式中設(shè)fiOq，Y1)是1個最小反射率1^表面的子圖像，fi(Xi，Yi)是其余n_l 個反射率&表面的子圖像。定義基準子圖像fi(X，y)中零高度表面層的最小灰度為Glmin值，其余n-1個子圖
中零高度表面層的最小灰度為Gimin,則其余子圖像對應(yīng)的多種反射率表面零高 度層最小灰度表達式為
JcGimin =^Glmin (式 10)按式7對不同反射率材質(zhì)組合表面的一幅二維數(shù)字灰度圖像進行區(qū)域分割之 后，繼而可以“二維分建三維——三維標高拼合”的第一種方案，也可以采用“二維灰度增 強——二維合建三維”的第二種方案，完成不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌圖像 的構(gòu)建。第一種方案中的“二維分建三維”是對分割出的單一反射率表面的二維子圖像分 別構(gòu)建三維宏觀形貌的子模型及其子系統(tǒng)，某個反射率表面層高度 二維圖像灰度映射關(guān) 系的子模型同式6 ；“三維標高拼合”則是用多個子表面層三維宏觀形貌的子圖像，按標高 拼合成一幅完整表面層的三維宏觀形貌圖像，其表達式是
Jc奴./(X9^Zz) = U /Xxi^h1) (n ^ ζ, η ^ 2 ；jGlmm<gi ^fGlmax )(式 n)
/=1vI1上式中fi (Xi, Yi, hi)是某個二維子圖像fi (Xi, Yi)所構(gòu)建的反射率ki表面層宏觀 形貌圖像，Ig1diui fi(Xi，Yi，hi)表面層灰度值gi的范圍，f(x，y，h)是拼合完成
/Cj/Cj
的三維宏觀形貌圖像；對η個子表面層的子圖像fi (Xi^yfi)標高拼合時，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)它們的 視角方向保持一致，并以其中最小反射率h子表面的1個二維子圖像(X15Y1)的最小灰度 Glmin，即構(gòu)成三維子圖像A(Xpyph1)的最小灰度Glmin，作為整個表面層的零高度基準，其他
n-1子表面層的零高度相應(yīng)子圖像的最小灰度是* Glmin。第二種方案中“二維灰度增強”是按式9以基準子圖像灰度的加權(quán)來逐個取代其 余子圖像，共同組合成一幅被改造的二維圖像代替原始圖像其表達式是
(式 12)上式中A(Xpy1)是選作基準的最小反射率Ic1表面的1個子圖像，(而，只)是被 反射率比值I加權(quán)的其余n-1個子圖像，
是這些加權(quán)子圖像灰度值&的
范圍，f' (x，y)是所有η個子圖像組合代替原始圖像被改造的的一幅二維圖像。第二種方案中“二維合建三維”是視這幅改造二維圖像為輸入圖像，建立單一反射 率&表面層高度 二維圖像灰度的映射關(guān)系子模型，其表達式是 上式中f' (x，y)是被改造代替原始圖像的一幅二維圖像，h'是它相應(yīng)表面層高 度，Glmm j^Glmax是它灰度值g'的范圍，km是組合表面材質(zhì)中的最大反射率，^(X1, Y1) 是選作基準的最小反射率&表面的1個子圖像。一些典型的反射值k為黑天鵝絨0. 01，不銹鋼0. 65，粉刷的白墻面0. 80，鍍銀器 皿0. 90，白雪0. 93 ；假設(shè)黑天鵝絨的零高度層的灰度為1，則不銹鋼為65，粉刷的白墻面為 80，鍍銀器皿為90，白雪為93 ；因此這些不同反射率材質(zhì)表面層高度 二維圖像灰度的映 射關(guān)系模型是 按照式14 18繪制出這些不同反射率材質(zhì)表面層高度 二維圖像灰度的映射關(guān) 系曲線如圖2所示。本發(fā)明提供的上述不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，其效果通 過安裝在計算機的三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)來實現(xiàn)，操作簡便、易學(xué)易用和便于普及，只要按 照以下具體方法步驟操作即可(1)采用點光源或者擴展點光源輻射物體表面，將數(shù)碼相機對準物體表面的目標區(qū)域，避開強反光方向，使其表面漫反射光進入鏡頭，攝制出一幅數(shù)字圖像；或者將一幅物 體宏觀表面的照片用掃描儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像；要求圖像JPEC格式、256色灰度，圖像分辨率 為400 600DPI，圖像中目標的框選區(qū)大小為IOkb 1Mb。(2)將上述物體表面的灰度數(shù)字圖像輸入計算機，在Windows XP操作系統(tǒng)和 Matlab或VB語言開發(fā)的用戶界面下，啟動本發(fā)明根據(jù)上述不同反射率材質(zhì)組合表面層高 度 二維圖像灰度的映射關(guān)系模型編程的三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，按照圖3a第一種方案 流程圖所述的步驟操作開始打開一幅不同反射率材質(zhì)組合表面的二維數(shù)字圖像，首先須 要用戶確認是否256級灰度圖像？圖像分辨率是否為400 600DPI ？如不是則須要轉(zhuǎn)化 為灰度圖像并調(diào)節(jié)圖像分辨率；其次可以命令系統(tǒng)在工作窗口中顯示這幅滿足輸入要求的 二維數(shù)字灰度圖像，允許用戶在圖像中多次框選、舍棄或保存感興趣的區(qū)域，并使欲構(gòu)建區(qū) 域大小限制在IOkb 1Mb;再者須要用戶確定欲構(gòu)建區(qū)域內(nèi)不同反射率1^材質(zhì)個數(shù)n，按不 同反射率&材質(zhì)特征，逐一分割不同反射率Ici材質(zhì)諸表面形態(tài)各異的η個二維子圖像Pi, 并加以顯示和保存；接著就可以進入三維圖像構(gòu)建系統(tǒng)，在此逐一打開某個反射率1^材質(zhì) 子表面的二維子圖像Pi,進行必要的直方圖規(guī)定化處理，并輸入反射率&參數(shù)相應(yīng)的三維 圖像構(gòu)建子系統(tǒng)，逐一對每個二維子圖像Pi進行三維構(gòu)建，對得到的η個三維子圖像Vi逐 一顯示和保存；最后在工作窗口中標高拼合η個三維子圖像Vi成為原始二維圖像構(gòu)建的三 維宏觀形貌圖像，注意旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)它們的視角方向保持一致；并以其中最小反射率&子表面 的1個二維子圖像Kby1)的最小灰度Glmin，即構(gòu)成三維子圖像AO^y1, hD的最小灰度 Glmin，作為整個表面層的零高度基準，其他n-1子表面層的零高度相應(yīng)子圖像的最小灰度是
J Glmin.;按合成三維圖像的視覺效果還要從以下三個方面確認灰度反差適中嗎？灰度層
次清晰嗎？三維視角滿意嗎？如不滿意，則可以針對以上逐條分別進行灰度直方圖規(guī)定化 處理、灰度插值處理和調(diào)整視角的三維動畫旋轉(zhuǎn)；最終以JPEC格式存儲這幅三維圖像，即 可完成對不同反射率材質(zhì)組合表面層三維宏觀形貌的實時構(gòu)建。(3)按照圖3b三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)第二種方案流程圖所述的操作步驟“…… 按不同反射率ki材質(zhì)特征，逐一分割不同反射率ki材質(zhì)的形態(tài)各異的每個二維子圖像Pi, 并加以顯示和保存”之前與圖3a三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)流程圖之一所述的操作步驟相同； 接下來須要用反射率之比例系數(shù)值IvX分別加權(quán)n-1個子圖像Pi，合成1個基準子圖像P1
與n-1個加權(quán)后的子圖像之和，構(gòu)成一幅視為單一反射率材質(zhì)Ic1的二維合成圖像P，并
加以顯示和保存；然后對這幅合成的二維圖像進行必要的直方圖規(guī)定化處理，輸入到與反 射率h參數(shù)相應(yīng)的三維圖像構(gòu)建子系統(tǒng)對二維合成圖像P進行三維構(gòu)建；按完成構(gòu)建三維 圖像的視覺效果從以下三個方面確認灰度反差適中嗎？灰度層次清晰嗎？三維視角滿意 嗎？如不滿意，則可以針對以上逐條分別進行灰度直方圖規(guī)定化處理、灰度插值處理和調(diào) 整視角的三維動畫旋轉(zhuǎn)；最終以JPEC格式存儲這幅三維圖像，即可完成對不同反射率材質(zhì) 組合表面層三維宏觀形貌的實時構(gòu)建。實施例1 圖4a所示兩種不同反射率材質(zhì)的多層表面俯視圖，其中所標數(shù)字4，5 諸表面的反射率Ic1值是所標數(shù)字1，2，3諸表面的反射率k2值的2倍，盡管目視二者的最高 表面3與4的灰度大致相當(dāng)，1與5的灰度大致相當(dāng)，但預(yù)計4的實際高度可能會比3低得多，1的實際高度可能會比5高得多；圖4b所示兩種不同反射率材質(zhì)表面層高度 二維圖 像灰度的映射關(guān)系曲線；根據(jù)圖4b映射關(guān)系曲線分別建立兩種反射率材質(zhì)的三維宏觀形 貌圖像如圖4c、圖4d ；最后將兩部分合起來得到的效果圖如圖4e，正如所料；如果圖4a所 示所有表面1，2，3，4，5的反射率均取1時構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像如圖4f。實施例2 圖5a所示材質(zhì)多層表面的俯視灰度圖；若為同一種材質(zhì)(表面層反射 率&，1^2同取1時)，所構(gòu)建的三維模型如圖5b，這是一個前后、左右在高度方向?qū)ΨQ的三維 圖像；若為組合材料(左上、和右下區(qū)域反射率Ic1取0. 5，左下、右上區(qū)域反射率k2取1)，所 構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像如圖5c，可以看出對角上的同種材質(zhì)關(guān)于中心才是對稱的；這就 是單一反射率材質(zhì)與不同反射率組合材質(zhì)在表面層三維宏觀形貌構(gòu)建的重要區(qū)別。實施例3 圖6a所示一件浮雕藝術(shù)作品的二維俯視灰度圖，其中發(fā)亮的紅銅質(zhì)馬 車浮雕嵌鑲在栗子色的木質(zhì)薄板上，板面下方還粘貼著印有文字的黃銅質(zhì)薄片；圖6b是按 本發(fā)明方法(圖3a第一種方案流程圖)對圖6a構(gòu)建的三維宏觀形貌圖像，可以看到由黃 銅質(zhì)薄片、紅銅馬車浮雕、木質(zhì)薄板三種反射值不同的組合材質(zhì)分別構(gòu)建，最終合成的三維 宏觀形貌圖像，其第三維厚度差符合該浮雕作品實際情況。實施例4 圖7a所示湖泊的二維俯視遙感圖像，其中湖泊為黑色區(qū)域，其余灰色為 陸地，顯然二者反射率不同，將二者分割處理再按本發(fā)明方法(圖3b第二種方案流程圖) 構(gòu)建三維地貌圖像如圖7b，可以看到湖泊及其周邊的高度關(guān)系。實施例5 圖8a照片所示鍋爐鋼板表面的鉚釘頭脫落，露出的黑色斷口肉眼看不 清楚，為典型的應(yīng)力腐蝕(苛性腐蝕)斷裂。從圖像上看，黑色斷口表面與鋼板表面基本平 齊，但屬于反射率不同的兩種材質(zhì)，如果按同一種反射率建立二維圖像灰度與表面層高度 的映射關(guān)系模型，構(gòu)建的表面層三維宏觀形貌就會使黑色斷口部分深陷鋼板之中。圖8b是 按照本發(fā)明方法構(gòu)建的局部表面層三維宏觀形貌，其圖像保持黑色斷口部分同鋼板表面平 齊，并且較好地恢復(fù)了圖8a俯視圖像所丟失的第三維深度信息，將黑色斷口表面的氧化物 顆粒形態(tài)如實再現(xiàn)出來。實施例6 圖9a所示鑄鋼樣品磨面上的大型硅酸鹽夾雜物，憑此圖看不出三維空 間的硅酸鹽如何夾雜于鑄鋼之內(nèi)，甚至誤作一條深裂縫，但我們注意到硅酸鹽夾雜物的反 射率遠低于鑄鋼樣品磨面，淺灰色部分同鑄鋼樣品表面一起磨齊。圖9b是按照本發(fā)明方法 構(gòu)建的局部表面層三維宏觀形貌，從周邊剖切斷面上可以讀出淺灰色的硅酸鹽夾雜嵌鑲在 鑄鋼之內(nèi)所占據(jù)空間的深度約1. 5mm，黑色空隙是磨制表面時部分夾雜脫落的結(jié)果。實施例7 圖IOa所示熱軋鋼胚磨面上的大塊異金屬夾雜物，夾雜物中有內(nèi)裂，兩 種反射率不同的材料交界處黑色縫隙勾畫了異金屬夾雜物的輪廓，還有較多非金屬夾雜經(jīng) 熱蝕后形成的孔洞。圖IOb是按照本發(fā)明方法對圖IOa構(gòu)建的局部表面層三維宏觀形貌， 從圖中可看出鋼鐵金屬與異金屬在一個高度的磨面上，從三維宏觀形貌的側(cè)剖面能夠測出 金屬夾雜物內(nèi)裂的深度約0. 5mm，周邊非金屬夾雜經(jīng)熱蝕后形成的孔洞深度約0. 05mm.以上實施例表明在觀察與檢測物體表面狀態(tài)極其質(zhì)量的多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，本 發(fā)明所述方法針對不同反射率材質(zhì)組合表面的一幅二維數(shù)字灰度圖像構(gòu)建三維宏觀形貌， 改造了以面代體的傳統(tǒng)圖像觀測技術(shù)弊端，有恢復(fù)第三維視覺信息的重大實用價值。實時 構(gòu)建三維宏觀形貌圖像，顯示客觀、立體感強、視角可變、易于測量、成本較低、便于普及。最 有特色的一點是框選二維灰度圖像中感興趣的區(qū)域時，從本發(fā)明虛擬的三維造像上就能輕而易舉得到穿越目標(特別是細小的缺陷)的橫剖面，進而可以從橫剖面度量其深度；即 使對現(xiàn)實的制件切割取樣，也不可能做得如此輕易、如此精細、如此準確，因此它又是以虛 代實、以虛測實的創(chuàng)造性的無損檢驗方法。
權(quán)利要求
一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，其特征在于對含有不同反射率材質(zhì)組合表面的一幅二維數(shù)字圖像，按組合表面的不同反射率材質(zhì)對圖像進行區(qū)域分割，分割成多個單一反射率表面的子圖像，其區(qū)域分割的表達式是 <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mrow><mi></mi><mo>∪</mo> </mrow> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>y</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(n∈Z，n≥2，Gimin≤gi≤Gimax)上式中f(x，y)是一幅原始的二維數(shù)字圖像，fi(xi，yi)是分割成某個反射率ki子表面的二維子圖像，Gimin～Gimax是該子圖像灰度值gi的范圍；然后設(shè)計不同反射率材質(zhì)組合表面層高度～二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型；根據(jù)映射關(guān)系模型，二維數(shù)字圖像不同的灰度值映射出不同反射率材質(zhì)組合表面的第三維高度值，并匹配到三維空間諸點，編制成在計算機上運行的三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)；將二維數(shù)字圖像輸入三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，獲得不同反射率材質(zhì)組合表面三維宏觀形貌的圖像，調(diào)整視角可以顯示不同視角方向的三維宏觀形貌的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，其 特征在于所述的不同反射率材質(zhì)組合表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型及 其三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，采用“二維分建三維——三維標高拼合”的第一種方案實現(xiàn)，其 中“二維分建三維”是對分割出的某個單一反射率子表面的二維子圖像分別構(gòu)建三維宏 觀形貌的子模型及其子系統(tǒng)，某個單一反射率子表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度映射關(guān)系 的子模型表達式是 上式中屯是某個二維子圖像fi(Xi，Yi)映射的反射率為ki的表面層第三維高度； “三維標高拼合”是用多個子表面層三維宏觀形貌的子圖像，按標高拼合成一幅不同反 射率材質(zhì)組合表面層完整的三維宏觀形貌圖像，其表達式是 上式中KiO^yyhi)是某個子表面層的二維子圖像40^，7》所構(gòu)建的反射率為K的三維宏觀形貌子圖像，|Glmin |( lmax是三維宏觀形貌子圖像&(\，Yi, hi)灰度值gi的范圍，f(x，y，h)是拼合完成的組合表面層三維宏觀形貌圖像；對η個子表面層的子圖像 ^(Xi, Yi^hi)標高拼合時，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)它們的視角方向保持一致，并以其中最小反射率&子表 面的一個二維子圖像A(X^y1)的最小灰度Glmin，即構(gòu)成三維子圖像AO^y1, Ill)的最小灰 度Glmin，作為整個表面層的零高度基準，其他n-1子表面層的零高度相應(yīng)子圖像的最小灰度是"P Glmin。K
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，其 特征在于所述的不同反射率材質(zhì)組合表面層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系模型及 其三維宏觀形貌構(gòu)建系統(tǒng)，采用“二維灰度增強——二維合建三維”的第二種方案實現(xiàn)，其 中“二維灰度增強”是從分割出的多個單一反射率表面的二維子圖像中，選定一個表面反 射率最小的子圖像灰度作為基準，在這個基準子圖像與其余子圖像之間，逐個用基準子圖 像灰度的加權(quán)來取代其余子圖像灰度，共同組合成一幅被改造的二維數(shù)字圖像代替原始圖 像，其表達式是 上式中=^x1, Y1)是選作基準的最小反射率為ki表面的一個子圖像， 是被 反射率比值#加權(quán)的其余n-l個子圖像， 是這些加權(quán)子圖像灰度值gi的 范圍，f' (χ, y)是所有η個子圖像組合代替原始圖像的一幅被改造的二維數(shù)字圖像；“二維合建三維”是視這幅被改造的二維數(shù)字圖像為輸入圖像，建立單一反射率h表面 層高度 二維數(shù)字圖像灰度的映射關(guān)系子模型，其表達式是 上式中f' (χ, y)是被改造代替原始圖像的一幅二維數(shù)字圖像，h'是被改造的二維 數(shù)字圖像相應(yīng)的表面層高度， 是被改造的二維數(shù)字圖像灰度值g'的范圍， km是組合表面材質(zhì)中的最大反射率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種不同反射率材質(zhì)組合表面的三維宏觀形貌構(gòu)建方法，對含有不同反射率材質(zhì)組合表面的一幅二維數(shù)字灰度圖像，按材質(zhì)表面不同的反射率對圖像進行區(qū)域分割，按兩種方案分別建立了表面層高度～二維圖像灰度的映射關(guān)系模型，設(shè)計成運行于計算機的三維形貌構(gòu)建系統(tǒng)，能夠把任何材質(zhì)組合表面的一幅二維圖像變換成視覺方向可調(diào)的三維宏觀形貌圖像，在觀察與檢測物體表面形貌及其質(zhì)量的多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，有恢復(fù)第三維視覺信息的重大實用價值，克服了以面代體或者變形失真地獲取物體表面信息的片面性和主觀性，在計算機視頻能夠快速構(gòu)建并實時顯示的三維宏觀形貌圖像，顯示客觀、立體感強、視角可變、易于測量、成本較低、便于普及。
文檔編號G01N21/88GK101907450SQ20101023317
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者厲為, 厲樹忠, 楊金龍, 王全來, 田野 申請人:西北師范大學(xué)