一種基于彩色光柵的快速三維立體重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面貼裝設(shè)備中的圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于彩色光柵的快速 三維立體重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，三維立體重建有多種方法，如：雙目視覺立體重建技術(shù)、基于物體外部輪廓 線的立體重建技術(shù)、深度圖像和彩色圖像相結(jié)合的立體重建方法以及光柵投影立體重建方 法等。
[0003] 經(jīng)典的光柵立體重建方法采用的是相位測量法，其基本原理是：將光柵分別投影 到參考平面和被測物體表面，由于參考平面選取的是水平平面，投影到上面的參考光柵不 會(huì)發(fā)生變形；當(dāng)光柵投影到被測物體表面時(shí)，光柵會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，這是由于投影光 柵受到了被測物體表面高度的調(diào)制，這種變形可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信 號(hào)。所放置的被測物體高度不同，光柵的相位變化程度也隨之不同，二維平面變形條紋的相 位變化中攜帶有物體表面的三維形貌信息。因此，通過求取相位的變化值，就可以得到物體 在相應(yīng)點(diǎn)處的高度，從而得到三維物體的輪廓形狀。
[0004] 但是經(jīng)典的光柵投影法對(duì)投影儀與攝像機(jī)的幾何放置關(guān)系有嚴(yán)格要求，在實(shí)際操 作不利于調(diào)整。而且經(jīng)典法使用的投影光線是灰度結(jié)構(gòu)光，其單幅信息量小，實(shí)現(xiàn)編碼需要 投影多幅圖像，不利于實(shí)時(shí)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于彩色光柵的快速三維 立體重建方法。
[0006] 本發(fā)明一種基于彩色光柵的快速三維立體重建方法所采用的技術(shù)方案為：本文系 統(tǒng)所搭建的三維立體視覺系統(tǒng)是以一個(gè)CCD攝像機(jī)、一臺(tái)DLP投影儀、工作平臺(tái)以及工業(yè)控 制計(jì)算機(jī)組成，投影儀向工作平臺(tái)投射彩色光柵條紋，攝像機(jī)通過其所在的空間位置，對(duì)位 于工作平臺(tái)的待測芯片進(jìn)行拍照采圖，計(jì)算機(jī)收集圖像并進(jìn)行濾波處理，基于彩色光柵投 影法的原理計(jì)算出芯片的三維形狀信息。在該技術(shù)方案中，完成物體的立體重建只需采集 一幅彩色光柵投影圖，很好地達(dá)到了工業(yè)產(chǎn)品缺陷檢測的精度要求和實(shí)時(shí)性要求。
[0007] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種基于彩色光柵的快速三維立體重建方法，包括如下步驟：
[0009] Sl在三維立體視覺系統(tǒng)中，獲取標(biāo)定圖像，所述三維立體視覺系統(tǒng)包括攝像機(jī)、投 影儀、工作平臺(tái)及計(jì)算機(jī)；
[0010] S2設(shè)計(jì)彩色光柵投影條紋；
[0011] S3在三維立體視覺系統(tǒng)中，打開投影儀，拍攝在在無待測芯片的彩色光柵投影背 景圖，把待測芯片放置在工作平臺(tái)上，將彩色光柵投影到待測芯片上，采集包含待測芯片的 彩色光柵投影圖；
[0012] S4采用改進(jìn)的雙邊濾波算法對(duì)包含待測芯片的彩色光柵投影圖進(jìn)行濾波；
[0013] S5對(duì)濾波后的包含待測芯片的彩色光柵投影圖進(jìn)行灰度化；
[0014] S6采用占寬比例法計(jì)算條紋差值，進(jìn)一步得到偏移距離，計(jì)算公式為d = η*β，d 為偏移距離，β為光柵條紋的寬度，η則為條紋偏移的差值，所述β在系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)通過光柵 設(shè)計(jì)直接獲得；
[0015] S7根據(jù)彩色光柵投影三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行高度恢復(fù)。
[0016] 所述設(shè)計(jì)彩色光柵投影條紋具體采用彩色投影光柵的藍(lán)、綠、青、紅、品紅和黃六 種顏色，編號(hào)為1-6,周期為6。
[0017] 所述S4中改進(jìn)的雙邊濾波算法采用局部加權(quán)平均的方法獲取復(fù)原圖像#的像素 值；
[0019] 式中，s"表示中心點(diǎn)（X，y)的（2Ν+1) X (2Ν+1)大小的鄰域，對(duì)該鄰域內(nèi)的每一個(gè) 像素點(diǎn)f(x，y)，其加權(quán)系數(shù)w (i，j)由兩部分因子的乘積組成：
[0020] w(i, j) = wg(i, j) · wr (i, j)
[0021] 其中，
為空間相似度函數(shù)，
為亮度 相似度函數(shù)，所述N為整數(shù)。
[0022] 所述S5具體為：根據(jù)S2制定的彩色光柵的編碼規(guī)則，得到投影光柵的階次為Z1， 利用公式I = Zl/T，T為投影光柵的編碼周期，在本發(fā)明中為6,即可得到存在6個(gè)灰度級(jí) 的光柵投影灰度圖像。
[0023] 所述S6中采用占寬比例法計(jì)算條紋差值，計(jì)算公式為d = η* β，具體為：
[0024] (1)逐點(diǎn)掃描包含待測芯片的彩色光柵投影圖，檢測各點(diǎn)處所在的條紋階次；
[0025] (2)與彩色光柵投影背景圖中的對(duì)應(yīng)條紋值相減，得到條紋初步差值Ν0,此時(shí)NO 為整數(shù)；
[0026] (3)定義變量點(diǎn)A為包含待測芯片的彩色光柵投影圖上某一像素點(diǎn)，a是點(diǎn)A在包 含待測芯片的彩色光柵投影圖中的向上占寬比，點(diǎn)B是與點(diǎn)A同一位置在彩色光柵投影背 景圖中的像素點(diǎn)，點(diǎn)A'是點(diǎn)A偏移前在彩色光柵投影背景圖中的像素點(diǎn)，b是點(diǎn)A'在背景 圖中的向上占寬比，則實(shí)際的條紋差值為η = ΝΟ+b-a ;
[0027] (4) β為光柵條紋的寬度，在系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)可直接獲得，最后由計(jì)算公式為d = η* β 即可計(jì)算得到偏移距離d。
[0028] 在標(biāo)定圖像之前，對(duì)圖像疊加模板為5X5,寬度為1的二維高斯濾波器。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：
[0030] (1)本發(fā)明通過計(jì)算彩色光柵條紋的偏移量恢復(fù)出物體的高度，恢復(fù)精度高，過程 簡單，可操作性強(qiáng)；
[0031] (2)本發(fā)明根據(jù)二進(jìn)制對(duì)彩色光柵條紋進(jìn)行編碼，可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)；
[0032] (3)利用彩色光柵進(jìn)行投影通過條紋顏色記錄更多的被測物體的信息，只需采集 一幅投影圖像，有效地提高了算法的實(shí)時(shí)性；
[0033] (4)本發(fā)明在進(jìn)行高度恢復(fù)的時(shí)候提出了占位比例法，計(jì)算簡便，準(zhǔn)確率高，針對(duì) 芯片一類線性形狀的物體具有很好的恢復(fù)效果和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的三維立體視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明的光柵投影原理圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的光柵投影模型圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的占寬比例法原理示意圖；
[0038] 圖5是本發(fā)明的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不 限于此。
[0040] 實(shí)施例
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明的三維立體視覺系統(tǒng)包括攝像機(jī)1、投影儀2、工作平臺(tái)3及計(jì) 算機(jī)，待檢測芯片4放置在工作平臺(tái)上，投影儀把彩色光柵投影至待檢測芯片上，由攝像頭 采集光柵投影圖像。本發(fā)明還需要采集空的工作平臺(tái)的光柵投影圖像作為背景對(duì)比圖，用 于計(jì)算待檢測芯片前后的光柵條紋的偏移量。
[0042] 本實(shí)施例中攝影儀采用DLP攝影儀。
[0043] 如圖5所示，本發(fā)明一種基于彩色光柵的快速三維立體重建方法，包括如下步驟：
[0044] Sl在三維立體視覺系統(tǒng)中，獲取標(biāo)定圖像。
[0045] 在三維立體視覺系統(tǒng)中，將待檢測芯片放置于工作平臺(tái)上，調(diào)節(jié)好光源的亮度，通 過攝影機(jī)拍攝得到標(biāo)定圖像。在對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定之前，首先對(duì)圖像疊加模板為5 X 5,寬度為 1的二維高斯濾波器，濾除雜質(zhì)噪聲。
[0046] 二維高斯濾波器的函數(shù)g(i，j)
[0048] 其中^為模板中心
σ為寬度，也即平滑程度。用由此函數(shù)生成的 尚斯序列做卷積運(yùn)算，進(jìn)彳丁尚斯濾波。
[0049] S2設(shè)計(jì)彩色光柵投影條紋，列出了列出區(qū)分度最高