一種快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)三維測(cè)量方法以非接觸、高精度、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)已日益成為人們獲取三維 輪廓數(shù)據(jù)的一種重要手段。根據(jù)照明方法的不同，通常將光學(xué)三維測(cè)量分成主動(dòng)式和被動(dòng) 式的三維測(cè)量。被動(dòng)式三維測(cè)量通過(guò)兩個(gè)或者多個(gè)相機(jī)從不同角度對(duì)被測(cè)物進(jìn)行拍攝，從 獲取的二維圖像中恢復(fù)被測(cè)表面三維信息。該類方法優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及數(shù)據(jù)采集 方便，所以其在機(jī)器視覺(jué)中有著廣泛的應(yīng)用。雙目視覺(jué)法是該類方法的一種代表性方法，其 根據(jù)仿生物原理構(gòu)造類似于人眼的功能，從不同視角的二維圖像中確定距離。其在航空測(cè) 量領(lǐng)域，利用飛行器裝載大視場(chǎng)高分辨率相機(jī)沿飛行方向拍攝圖像序列，從而獲取地形地 貌。盡管被動(dòng)式方法可有效獲取被測(cè)物表面三維信息，但是其主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：運(yùn)算量十分 巨大，通常需要高速處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量；對(duì)物體表面紋理過(guò)分依賴，使得該方法不適合測(cè)量 光滑或者特征點(diǎn)較少的表面。
[0003] 主動(dòng)式三維測(cè)量是采用結(jié)構(gòu)光照明的方法對(duì)被測(cè)物主動(dòng)地投射光信號(hào)，然后根據(jù) 拍攝得到的調(diào)制光場(chǎng)中解調(diào)出被測(cè)物的三維信息。這類方法由于利用調(diào)制光主動(dòng)對(duì)被測(cè)面 進(jìn)行調(diào)制，所以其解決了對(duì)物體自身表面紋理依賴的問(wèn)題，且避免了相關(guān)算法的使用，從而 降低了數(shù)據(jù)運(yùn)算量。常用的主動(dòng)式方法包括條紋投影法、飛行時(shí)間法、調(diào)制度輪廓法等。其 中條紋投影法是目前使用最為普遍的一種測(cè)量方法。該方法通過(guò)向被測(cè)物投射光柵條紋， 攝像機(jī)從另一角度拍攝經(jīng)被測(cè)物調(diào)制的光柵條紋，經(jīng)過(guò)條紋解碼，解調(diào)出被測(cè)表面三維輪 廓。隨著數(shù)字投影設(shè)備的不斷發(fā)展，該技術(shù)被逐漸用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景三維場(chǎng)景測(cè)量。隨著條紋 高速地投射至被測(cè)表面以及攝像機(jī)同步采集二維光柵圖案，最終通過(guò)高速數(shù)據(jù)處理，可實(shí) 現(xiàn)針對(duì)運(yùn)動(dòng)形變物體的高速三維測(cè)量。
[0004] 高速三維測(cè)量對(duì)于在線檢測(cè)、生物醫(yī)療、形變分析等領(lǐng)域都有著十分重要意義。但 是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，研究人員仍然面臨了很多急需解決的問(wèn)題。其中一個(gè)最常遇到的問(wèn) 題就是如何實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的高速測(cè)量。因?yàn)槟壳按郎y(cè)物體表面由于反射率高，很容易形 成局部高光。特別是合金金屬工件，其表面的高光尤為明顯。表面的高光由于會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī) 像素飽和，所以使得攝像機(jī)無(wú)法獲取高光處的有用光信號(hào)，最終難以恢復(fù)該區(qū)域的三維輪 廓。同時(shí)，傳統(tǒng)的多曝光技術(shù)盡管可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的三維測(cè)量，但由于需要多次曝光， 所以只適合用靜態(tài)場(chǎng)景的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法，可以對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn) 高動(dòng)態(tài)范圍的三維測(cè)量。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法，使用計(jì) 算機(jī)生成四幅光柵條紋；分別在投影儀光軸和攝像機(jī)光軸上放置一塊偏振鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)任意一 塊偏振鏡，將投影儀光軸和攝像機(jī)光軸之間的夾角調(diào)節(jié)為90度；使用投影儀將生成的四幅 光柵條紋投射至被測(cè)物，使用攝像機(jī)同步拍攝被被測(cè)物反射生成的四幅條紋圖像；對(duì)四幅 條紋圖像進(jìn)行分析，獲得高頻包裹相位和低頻相位；對(duì)高頻包裹相位去包裹，獲得高頻去包 裹后相位，根據(jù)去包裹后相位重建被測(cè)物體三維場(chǎng)景。
[0007] 進(jìn)一步，計(jì)算機(jī)生成的四幅光柵條紋廣~Ip4的光學(xué)表達(dá)式如下所示，
[0008]Ip1 (xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jifxp)
[0009]Ip2 (xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp)
[0010] Ip3(xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp+2Ji/3)
[0011] Ip4(xp, yp) = Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp) cos(2Jixp+4Ji/3)
[0012] 其中，（xp，yp)為投影儀像素坐標(biāo)，Ap為直流分量，Bp為調(diào)制度，Ap=Bp= 127.5， 圖像像素深度為8比特，f?為第一幅正弦光柵條紋的頻率。
[0013] 進(jìn)一步，攝像機(jī)同步拍攝的四幅條紋圖像匕~I%的強(qiáng)度分布表達(dá)式如下所示，
[0014]Ici (xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i> h)
[0015]Ic2 (xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i>j)
[0016]Ic3(xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<})j+2 /3)
[0017]Ic4(xc, yc) = Ac (xc,yc) +Bc (xc,yc) cos(<i>j+4Ji/3)
[0018] 其中，（f，/)為攝像機(jī)像素坐標(biāo)，f為背景光強(qiáng)，B相位調(diào)制度，巾拍攝的 第一幅條紋圖像疋中包含的高頻相位，為拍攝的第二幅至第四幅條紋圖像G~/丨中包 含的低頻相位。
[0019] 進(jìn)一步，對(duì)第一幅條紋圖像F1進(jìn)行二維傅里葉變換，在獲得的頻譜中使用漢寧窗 對(duì)正一級(jí)頻譜進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行二維逆傅里葉變換，獲得高頻包裹相位小 h。
[0020] 進(jìn)一步，對(duì)第二幅至第四幅條紋圖像r2、r#pIM吏用三步相移法分析，獲得低頻 相位，計(jì)算公式如下所示，
[0024] 其中，Round為求取最近整數(shù)。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明使用偏振鏡很好地解決了現(xiàn)有 技術(shù)存在的高光問(wèn)題，使得在單次曝光的情況下就可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的三維測(cè)量。此外，根 據(jù)傳統(tǒng)方法，比如雙頻三步相移法，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景測(cè)量通常需要六幅條紋，而本發(fā)明方法只需要 使用四幅光柵條紋，所以本發(fā)明非常適合快速運(yùn)動(dòng)形變物體的測(cè)量。
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法流程示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中使用的測(cè)量對(duì)象及其場(chǎng)景圖像，測(cè)量對(duì)象為圖像中的具有 局部尚光的白色水杯。
[0029] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)圖2所示測(cè)量對(duì)象拍攝的四幅條紋圖像，其中，（a)為拍 攝的第一幅條紋圖像#，（b)為拍攝的第二幅條紋圖像/〗 .，（c)為拍攝的第三幅條紋圖像 #，（d)為拍攝的第四幅條紋圖像G。
[0030] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中求解的相位示意圖，其中（a)為高頻相位<K，（b)為低頻 相位
[0031] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例獲得的三維重建圖像對(duì)比，其中（a)為使用傳統(tǒng)方法重建獲 得的三維圖像，（b)為使用本發(fā)明方法重建獲得的三維圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域 的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法的多種實(shí)施方式。因此， 以下【具體實(shí)施方式】和附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的 全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。
[0033] 結(jié)合圖1，本發(fā)明所述快速高動(dòng)態(tài)范圍三維測(cè)量方法，步驟如下：
[0034] 步驟一，使用計(jì)算機(jī)生成所需的四幅光柵條紋。以豎直條紋生成為例，四幅光柵條 紋IPi~IP4，四幅光柵條紋IPi~I、按以下方式生成：
[0035] Ip1 (xp,yp) =Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp)cos(2Jifxp)
[0036] Ip2 (xp,yp) =Ap (xp,yp) +Bp (xp,yp)cos(2Jixp)
[0037]Ip3 (