一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。不同于以往把N張光柵圖片中有效灰度值和無效灰度值直接代入相位求解公式，該方法直接使用像素點(diǎn)處有效灰度值，通過遞推法還原飽和灰度值的實(shí)際值，進(jìn)而恢復(fù)高光物體表面高精度的相位值。該方法步驟簡單、魯棒性強(qiáng)，隨機(jī)誤差抑制性好，不需要調(diào)整CCD相機(jī)光圈、曝光時(shí)間，不需要對高光物體表面進(jìn)行處理，省時(shí)快捷，能夠保證高光物體表面的測量精度，測量準(zhǔn)確性高。
【專利說明】一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量相關(guān)領(lǐng)域，涉及到結(jié)構(gòu)光三維測量中金屬等高光物體表面相位快速獲取方法，該方法能夠快速恢復(fù)高光物體表面高精度相位值，具體為一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]投影柵相位法是一種基于結(jié)構(gòu)光的非接觸式全場三維測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品表面三維形貌測量、逆向工程和質(zhì)量檢測等領(lǐng)域；主要通過投射正弦結(jié)構(gòu)光給物體表面附加相位信息，再由獲取到的相位信息映射物體表面的高度信息，測量步驟包括數(shù)字光柵投影、條紋圖像獲取、相位恢復(fù)及展開、物體深度信息獲取和三維復(fù)原等。
[0003]使用投影柵相位法計(jì)算相位值要求物體表面亮而不反光，然而對于高光零件，物體表面反射率高，高光強(qiáng)反射表面的反射光灰度范圍與相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍不一致，并且相機(jī)量化等級一般為256灰度等級(8bits)，導(dǎo)致相機(jī)采集到的條紋圖像出現(xiàn)飽和(參見圖2)，產(chǎn)生信息失真，直接把飽和灰度值代入相位求解公式，將出現(xiàn)較大的波動(dòng)誤差(參見圖3)，相位圖出現(xiàn)很多雜點(diǎn)，而且飽和越嚴(yán)重誤差越大，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的相位值，嚴(yán)重影響測量精度。
[0004]針對這一光學(xué)非接觸測量的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方案。這些的方法一定程度上減輕了高光物體表面的相位誤差，但是也存在很多缺點(diǎn)。如根據(jù)物體表面在不同角度下反光區(qū)域不盡相同的特點(diǎn)，避開高光或強(qiáng)反光區(qū)域，進(jìn)行多角度局部測量，再整體拼接成完整被測表面；也有學(xué)者耗費(fèi)大量時(shí)間找到高光及二次反光區(qū)域，通過掩膜圖像把反光區(qū)域掩蓋起來，多區(qū)域分別測量，最后進(jìn)行點(diǎn)云拼接。上述兩種方法存在復(fù)雜的拼接問題，而且在整體拼接過程中會(huì)引入誤差，影響測量精度。由于高光表面無法完整測量，也有學(xué)者采用了多次曝光和圖像融合技術(shù)結(jié)合的方法，從每次曝光中選擇高質(zhì)量像素解相，將每次曝光選擇的結(jié)果拼合成一張完整的相位圖，測量過程中用到的曝光時(shí)間越多測量結(jié)果越好。例如北京航空航天大學(xué)申請的專利“一種用于強(qiáng)反射表面三維形貌測量的立體視覺檢測方法，申請?zhí)?200910236214.8”使用了這種方法，但是多次曝光拍攝需要耗費(fèi)大量時(shí)間，無法滿足實(shí)時(shí)性要求，而且每次曝光時(shí)間不同，對應(yīng)的量化誤差也不同，另外光圈太小會(huì)導(dǎo)致圖像的有效量化等級降低，最后的相位圖是由不同量化誤差等級的結(jié)果融合而成，測量精度會(huì)受到影響。另外，也有人提出采用向具有強(qiáng)反光表面噴涂某種粉末使被測物體呈現(xiàn)漫反射特性，以利于光學(xué)三維測量，但是粉末不均勻增加了測量誤差，在工業(yè)檢測和自動(dòng)化控制加工中，這種方法的實(shí)現(xiàn)也很困難，很多物體，如服裝業(yè)、藝術(shù)雕塑、文物等在三維形貌恢復(fù)時(shí)不允許對其表面進(jìn)行處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]針對上述問題本發(fā)明提出一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，快速準(zhǔn)確地獲取高光物體表面高精度相位信息。
[0007]技術(shù)方案
[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。該方法依照高光物體表面飽和特性，確定N張光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)及有效灰度值，采用遞推法，由像素點(diǎn)處不飽和灰度值遞推出飽和灰度值的實(shí)際灰度值，還原失真的光柵信息，最后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)N步相移公式求解出高精度的相位值，該方法精度高、魯棒性強(qiáng)，隨機(jī)誤差抑制性好，步驟簡單，能夠快速的恢復(fù)高光物體表面的相位信息。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0010]所述一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，其特征在于:采用以下步驟:
[0011]步驟1:基于投影柵相位法投射N張正弦光柵到被測物體表面，進(jìn)而采集得到N張光柵圖片，采用以下步驟確定光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn):
[0012]步驟1.1:對于像素坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)，依據(jù)其在N張光柵圖片中的灰度值，統(tǒng)計(jì)該像素點(diǎn)處于區(qū)間[0，255)內(nèi)的灰度值對應(yīng)的光柵圖片的張數(shù)m，若m滿足3≤m〈N，則該像素點(diǎn)為初步有效像素點(diǎn)；
[0013]步驟1.2:針對初步有效像素點(diǎn)在步驟1.1所述m張光柵圖片中的灰度值，若共計(jì)m-Ι個(gè)相鄰灰度值的相移量只等于δ或δ-2 Ji，則該初步有效像素點(diǎn)為有效像素點(diǎn)；其中δ =2 /N ；
[0014]步驟1.3:重復(fù)步驟1.1至步驟1.3，對所有像素點(diǎn)進(jìn)行判斷，得到光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)；
[0015]步驟2:對步驟I得到的有效像素點(diǎn)進(jìn)行處理，用遞推法推導(dǎo)出有效像素點(diǎn)處N-m個(gè)無效灰度值被相機(jī)量化前的實(shí)際灰度值，還原由于高光丟失的光柵信息，得到這些像素點(diǎn)處新的光強(qiáng)度序列:
[0016]步驟2.1:對于像素坐標(biāo)為(x，y)的有效像素點(diǎn)，建立由其m個(gè)有效灰度值組成的有效灰度值序列，其中特別的，若其N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片處于N張光柵圖片的中部，則將N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片之后的光柵圖片，對應(yīng)的若干有效灰度值，整體移至，N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片之前的光柵圖片，對應(yīng)的若干有效灰度值之前，得到該有效像素點(diǎn)的有效灰度值序列；該有效灰度值序列中相鄰灰度值的相移量只等于δ 或 δ -2 Ji ;
[0017]步驟2.2:把由m個(gè)有效灰度值組成的有效灰度值序列代入遞推公式，計(jì)算N_m個(gè)無效灰度值的實(shí)際灰度值，還原由于高光丟失的光柵信息，所述遞推公式為:
[0018]ln+3 (X，y) = (2cos δ +1) [ln+2 (χ, y) _1η+1 (χ, y) ] +In (χ, y)，η=1, 2，...，N
[0019]當(dāng)I (Χ，y)的腳標(biāo)大于N時(shí)，根據(jù)周期性可知:
[0020]I1 (χ, y) =1N+1 (x, y)，I2 (x, y) =lN+2 (x, y)，I3 (x, y) =1Ν+3 (x, y)
[0021]步驟2.3:將m個(gè)有效灰度值和經(jīng)步驟2.2遞推得到的N_m個(gè)實(shí)際灰度值組成該像素點(diǎn)處新的灰度值序列；
[0022]步驟3:把滿足條件m=N的有效像素點(diǎn)和經(jīng)步驟2處理后的像素點(diǎn)分別代入相位值計(jì)算公式[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種基于遞推法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，其特征在于:采用以下步驟:步驟1:基于投影柵相位法投射N張正弦光柵到被測物體表面，進(jìn)而采集得到N張光柵圖片，采用以下步驟確定光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn): 步驟1.1:對于像素坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)，依據(jù)其在N張光柵圖片中的灰度值，統(tǒng)計(jì)該像素點(diǎn)處于區(qū)間[0，255)內(nèi)的灰度值對應(yīng)的光柵圖片的張數(shù)m，若m滿足3≤m〈N，則該像素點(diǎn)為初步有效像素點(diǎn)； 步驟1.2:針對初步有效像素點(diǎn)在步驟1.1所述m張光柵圖片中的灰度值，若共計(jì)m?l個(gè)相鄰灰度值的相移量只等于δ或δ ?2 ，則該初步有效像素點(diǎn)為有效像素點(diǎn)；其中δ =2 /N ； 步驟1.3:重復(fù)步驟1.1至步驟1.3，對所有像素點(diǎn)進(jìn)行判斷，得到光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)； 步驟2:對步驟I得到的有效像素點(diǎn)進(jìn)行處理，用遞推法推導(dǎo)出有效像素點(diǎn)處N-m個(gè)無效灰度值被相機(jī)量化前的實(shí)際灰度值，還原由于高光丟失的光柵信息，得到這些像素點(diǎn)處新的光強(qiáng)度序列: 步驟2.1:對于像素坐標(biāo)為(x，y)的有效像素點(diǎn)，建立由其m個(gè)有效灰度值組成的有效灰度值序列，其中特別的，若其N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片處于N張光柵圖片的中部，則將N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片之后的光柵圖片，對應(yīng)的若干有效灰度值，整體移至，N-m個(gè)無效灰度值對應(yīng)的光柵圖片之前的光柵圖片，對應(yīng)的若干有效灰度值之前，得到該有效像素點(diǎn)的有效 灰度值序列；該有效灰度值序列中相鄰灰度值的相移量只等于S或 δ -2 Ji ； 步驟2.2:把由m個(gè)有效灰度值組成的有效灰度值序列代入遞推公式，計(jì)算N-m個(gè)無效灰度值的實(shí)際灰度值，還原由于高光丟失的光柵信息，所述遞推公式為:ln+3(x, y) = (2cox δ +1) [ln+2(x, y)_ln+1 (χ, y)]+ln(x, y), η=1, 2，…，N當(dāng)I (x，y)的腳標(biāo)大于N時(shí)，根據(jù)周期性可知:
Ii (χ，y)—1ν+ι (χ，y)，12 (χ，y)— 1n+2 (x，y)，13 (x，y)— 1n+3 (x，y) 步驟2.3:將m個(gè)有效灰度值和經(jīng)步驟2.2遞推得到的N-m個(gè)實(shí)際灰度值組成該像素點(diǎn)處新的灰度值序列； 步驟3:把滿足條件m=N的有效像素點(diǎn)和經(jīng)步驟2處理后的像素點(diǎn)分別代入相位值計(jì)算公式
【文檔編號】G01B11/25GK103868473SQ201410125761
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】聶寇準(zhǔn), 常智勇, 盧津, 江奔, 孫博洋 申請人:西北工業(yè)大學(xué)