利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學三維傳感技術，特別是涉及用結構光掃描實現(xiàn)對反射率變化大的 物體的三維測量。
【背景技術】
[0002] 結構光測量技術是一類高精度的光學三維測量技術，其在工業(yè)生產、科學研究 等領域有廣泛應用。典型的結構光測量技術包括相位測量輪廓術（phase measuring profilometry，簡稱 PMP)、三角波圖案相移輪廓術（triangular-pattern phase-shifting profilometry，簡稱TPP)等。如何用結構光技術重建反射率變化大的物體(又稱高動態(tài)三 維測量）是一個技術難題，因為在捕獲的結構光圖像中，一方面，反射率大的區(qū)域可能會產 生亮度飽和，另一方面，反射率小的區(qū)域信噪比較低，而亮度飽和與低信噪比均會導致明顯 的測量誤差。針對這一問題，最典型的方法Zhang和Yau在論文"Zhang S，YauST. High dynamic range scanning technique [J]. Optical Engineering, 2009, 48 ⑶"提出的相 位融合方法。該方法通過調節(jié)曝光時間獲取多組具有不同亮度的圖像，直接利用亮度值是 否達到攝像頭的最大量化值(如8-bits攝像頭的最大量化值為255)作為飽和的判定標準， 每個像素點的相位是由在該點未飽和圖像組中亮度最大的一組計算得到。理論上，該方法 既避免了飽和又實現(xiàn)了盡可能大的信噪比。然而，在飽和程度不大的區(qū)域，攝像頭模糊效應 和隨機噪聲可能會導致亮度偏離最大量化值，因此，直接基于亮度判定飽和的方法并不精 確。如何精確檢測圖像飽和區(qū)域，從而提高高動態(tài)三維測量的精度，應用本發(fā)明提及的方案 就可以解決這一關鍵技術問題。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有高動態(tài)測量方法中飽和區(qū)域檢測精度低的缺陷，提出一種光學三 維傳感技術中利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法，該方法能精確判定飽和區(qū) 域，從而能達到較高的三維測量精度。
[0004] 本發(fā)明的目的是采用下述技術方案來實現(xiàn)的： 使用投影裝置向三維目標投射多組結構光圖案序列，圖案用空間分布的周期信號進行 編碼，相鄰圖案之間存在固定相移量，圖案序列的總相移量為一個周期，并用攝像裝置進行 同步拍攝，通過控制掃描參數(shù)獲取具有不同的亮度的結構光圖像組，對每組圖像分別計算 其時間序列的非主頻成分幅值，把非主頻成分幅值小于一定閾值的像素區(qū)域為判定為非亮 度飽和區(qū)域，對每一個像素點在該點未飽和的圖像組中找到亮度最大的一組，并用這組圖 像計算該像素點的相位，最后用相位和系統(tǒng)標定參數(shù)計算出物體表面的三維坐標。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點： 因為本發(fā)明利用圖像時間序列的非主頻成分幅值來判定飽和，是基于時間序列的整體 波形進行判定，所以受由攝像頭模糊效應和隨機噪聲導致的亮度偏差影響較小，能精確穩(wěn) 定地判定飽和區(qū)域，與現(xiàn)有技術相比，能達到更高的三維測量精度。
【附圖說明】
[0006] 圖1為本發(fā)明利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0007] 采用的裝置有1臺CASIO XJ-M140投影機，投影機緩存幀大小為 800x600像素，灰度量化等級為8bit，投影機最大輸出頻率為150幀/s ;1個Prosilica GC650工業(yè)攝像頭，分辨率為640X480像素，灰度量化等級為8bit,攝像頭最大捕捉頻 率為62幀/s。1臺具有Core i3 3530 CPU，4GB內存的計算機，由計算機對結構光投影和 拍攝過程進行控制。附圖1為本實施例利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法流程 圖。本實例具體實施步驟如下： (1)對攝像頭和投影機進行標定，分別得到攝像頭與投影機大小為的投影矩陣、
[0008] (2)生成正弦結構光圖案，并對圖案進行非線性預補償。
[0009] 生成多組正弦結構光圖案，各圖案組具有不同亮度，結構光圖案表示為 ：
【主權項】
1. 一種利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法，其特征在于使用投影裝置向三 維目標投射多組結構光圖案序列，并用攝像裝置進行同步拍攝，通過控制掃描參數(shù)獲取具 有不同的亮度的結構光圖像組，對每組圖像分別計算其時間序列的非主頻成分幅值，把非 主頻成分幅值小于一定閾值的像素區(qū)域為判定為非亮度飽和區(qū)域，對每一個像素點在該點 未飽和的圖像組中找到亮度最大的一組，并用這組圖像計算該像素點的相位，最后用相位 和系統(tǒng)標定參數(shù)計算出物體表面的三維坐標。
2. 根據(jù)權利要求1所述的結構光圖案序列，其特征是：圖案用空間周期信號進行編碼， 相鄰圖案之間存在固定相移量，圖案序列的總相移量為一個周期，典型圖案序列包括正弦 波圖案序列、三角波圖案序列、梯形波圖案序列。
3. 根據(jù)權利要求1所述的控制掃描參數(shù)，其特征是：調節(jié)攝像裝置的曝光時間；或者改 變投影圖案的亮度，或者調節(jié)攝像裝置的光圈。
4. 根據(jù)權利要求1所述的非主頻成分，其特征是：信號主頻成分以外的頻率成分，一般 是信號的高次諧波；例如，正弦波的非主頻成分為二次及以上諧波，三角波的非主頻成分為 二次及以上的偶次諧波。
5. 根據(jù)權利要求1所述的利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法，其特征是： 利用圖像非主頻成分幅值定位飽和區(qū)域，準確測量反射率變化大的物體。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用諧波幅值判定飽和的高動態(tài)三維測量方法。使用投影裝置向三維目標投射多組結構光圖案序列，并用攝像裝置進行同步拍攝，通過控制掃描參數(shù)獲取具有不同的亮度的結構光圖像組，對每組圖像分別計算其時間序列的非主頻成分幅值，把非主頻成分幅值小于一定閾值的像素區(qū)域為判定為非亮度飽和區(qū)域，對每一個像素點在該點未飽和的圖像組中找到亮度最大的一組，并用這組圖像計算該像素點的相位，最后根據(jù)相位和系統(tǒng)標定參數(shù)計算出物體表面的三維坐標。本發(fā)明可用于測量反射率變化大的物體的三維面形。本發(fā)明能精確穩(wěn)定地判定飽和區(qū)域，達到較高的三維測量精度。
【IPC分類】G01B11-25
【公開號】CN104697469
【申請?zhí)枴緾N201510143093
【發(fā)明人】劉凱, 龍云飛, 吳煒, 楊曉敏
【申請人】四川大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月30日