CN106767407B - 对过曝物体表面三维信息测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种对过曝物体表面三维信息测量的方法，根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，基于结构光三维测量利用模板图像组对过曝物体表面的所有像素点的三维信息测量，将过曝物体表面的所有像素点区分为过曝点和未过曝点，解码未过曝点得到未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标进而插值估计得到过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，计算过曝点的强度修正系数修改投影仪投影的模板图像组上的过曝点的强度值，重复上述步骤直到投影仪投影新的模板图像组后得到过曝点总数量占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例小于所设阈值，最后用当前新的模板图像组基于结构光三维测量完成过曝物体表面三维信息的测量。操作简单、结果准确。

Description

对过曝物体表面三维信息测量的方法
技术领域
本发明涉及结构光三维测量技术领域，尤其涉及一种对过曝物体表面三维信息测量的方法。
背景技术
结构光三维测量技术广泛应用于表面测量、三维重建领域，但面对具有复杂反光特性的过曝物体，测量往往存在很大障碍：在测量具有复杂反光特性的过曝物体时容易产生局部过曝的情况，限制了结构光的应用范围。现有的研究主要通过预处理、多次曝光、投影相反相位图像等技术对过曝物体进行测量，但预处理需对过曝物体表面进行接触；多次曝光技术操作复杂，耗时较长；投影相反相位图像技术测量过曝范围较小，结果不够准确。因此，对于局部过曝的过曝物体，缺乏准确有效的测量方法。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于一种对过曝物体表面三维信息测量的方法，其操作简单、结果准确。
为了实现上述目的，本发明提供了一种对过曝物体表面三维信息测量的方法，包括步骤S1、S2、S3、S4以及S5。
S1：利用计算机生成两个结构光模板图像组以及一张辅助图像，两个结构光模板图像组包括低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，搭建包括投影仪、相机以及计算机的结构光测量***，基于结构光三维测量，利用投影仪投影低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像对过曝物体表面的所有像素点的三维信息进行测量，其中，依次将低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像投影到过曝物体表面并用相机拍摄过曝物体表面，依次得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像，从而得到过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，根据得到的过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，将所有像素点区分为过曝点与未过曝点，分别存入过曝点数组和未过曝点数组中，分别得到过曝点数组
其中，Ne为过曝点的总数量，过曝点数组中第j个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为j＝1,...,Ne，第j个过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第j个过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
和未过曝点数组
其中，Nc为未过曝点的总数量，未过曝点数组中第k个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为k＝1,...,Nc，第k个未过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第k个未过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
判断过曝点数组中的各过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组的各图像组中的过曝程度，即为单值过曝点、二值过曝点、三值过曝点或四值过曝点；
S2：根据步骤S1中得到的未过曝点数组和过曝点数组，解码未过曝点数组中的Nc个未过曝点，得到Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，并利用Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标和在相机的图像坐标系下的坐标插值估计得到与过曝点数组中的Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的在投影仪的图像坐标系下的估计坐标
S3：根据步骤S1中得到的过曝点数组计算过曝点数组中的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]；
S4：根据步骤S2中得到的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标和步骤S3中得到的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]修改投影仪投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标处的强度值，生成新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组；
S5，重复步骤S1，投影步骤S4中得到的新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，计算过曝点的总数量和占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例，如果该比例小于等于所设阈值，则利用当前新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组基于结构光三维测量完成过曝物体表面三维信息的测量，即得到过曝物体表面的所有像素点在世界坐标系下的坐标；如果该比例大于所设阈值，重复步骤S2-S5，直至满足比例小于等于所设阈值的条件。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，基于结构光三维测量对过曝物体表面的所有像素点的三维信息进行测量，根据测量过程中得到的过曝物体表面的所有像素点的在相机的图像坐标系下的坐标和强度值将这些像素点区分为过曝点和未过曝点，解码未过曝点得到未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，进一步插值估计得到过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，并根据经计算得到的过曝点的强度修正系数对投影仪投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组上的过曝点的强度值进行修改，重复上述步骤直到投影仪投影新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组后，得到的过曝点的总数量占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例小于所设阈值，最后用当前新的投影仪投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组基于结构光三维测量完成对过曝物体表面三维信息的测量，即得到过曝物体表面的所有像素点在世界坐标系下的坐标。这种动态重复的修改投影仪投影的图像的强度从而测量过曝物体表面三维信息的方法，操作简单、结果准确。
附图说明
图1是根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中的结构光测量***的示意图；
图2是根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中的用于投影仪投影的图像，其中(a)是高频结构光模板图像组中的一张图像，(b)是低频结构光模板图像组中的一张图像，(c)是辅助图像。
其中，附图标记说明如下：
1 投影仪
2 相机
3 计算机
4 过曝物体
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法。
参照图1和图2，对过曝物体表面三维信息测量的方法，包括步骤：
S1：利用计算机3生成两个结构光模板图像组以及一张辅助图像，两个结构光模板图像组包括低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，搭建包括投影仪1、相机2以及计算机3的结构光测量***，基于结构光三维测量，利用投影仪1投影低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像对过曝物体表面的所有像素点的三维信息进行测量，其中，依次将低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像投影到过曝物体表面并用相机拍摄过曝物体表面，依次得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像，从而得到过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，根据得到的过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，将所有像素点区分为过曝点与未过曝点，分别存入过曝点数组和未过曝点数组中，分别得到过曝点数组
其中，Ne为过曝点的总数量，过曝点数组中第j个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为j＝1,...,Ne，第j个过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第j个过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
和未过曝点数组
其中，Nc为未过曝点的总数量，未过曝点数组中第k个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为k＝1,...,Nc，第k个未过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第k个未过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
判断过曝点数组中的各过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组的各图像组中的过曝程度，即为单值过曝点、二值过曝点、三值过曝点或四值过曝点；
S2：根据步骤S1中得到的未过曝点数组和过曝点数组，解码未过曝点数组中的Nc个未过曝点，得到Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，并利用Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标和在相机的图像坐标系下的坐标插值估计得到与过曝点数组中的Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的在投影仪的图像坐标系下的估计坐标
S3：根据步骤S1中得到的过曝点数组计算过曝点数组中的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]；
S4：根据步骤S2中得到的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标和步骤S3中得到的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]修改投影仪2投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标处的强度值，生成新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组；
S5，重复步骤S1，投影步骤S4中得到的新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，计算过曝点的总数量和占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例，如果该比例小于等于所设阈值，则利用当前新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组基于结构光三维测量完成对过曝物体表面三维信息的测量，即得到过曝物体表面的所有像素点在世界坐标系下的坐标；如果该比例大于所设阈值，重复步骤S2-S5，直至满足比例小于等于所设阈值的条件。
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，基于结构光三维测量对过曝物体表面的所有像素点的三维信息进行测量，根据测量过程中得到的过曝物体表面的所有像素点的在相机的图像坐标系下的坐标和强度值将这些像素点区分为过曝点和未过曝点，解码未过曝点得到未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，进一步插值估计得到过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，并根据经计算得到的过曝点的强度修正系数对投影仪投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组上的过曝点的强度值进行修改，重复上述步骤直到投影仪投影新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组后，得到的过曝点的总数量占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例小于所设阈值，最后用当前新的投影仪投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组基于结构光三维测量完成对过曝物体表面三维信息的测量，即得到过曝物体表面的所有像素点在世界坐标系下的坐标。这种动态重复的修改投影仪投影的图像的强度从而测量过曝物体表面三维信息的方法，操作简单、结果准确。
在这里补充说明的是，阈值的设置根据所要求的测量精度来确定，也就是说能接受的过曝点的总数量在过曝物体表面的所有像素点总数量的占比的最大值。步骤S1中和步骤S5中的基于结构光三维测量对过曝物体表面三维信息的测量的实现即是用图像处理技术领域公知的基于结构光三维测量对被测物体表面三维信息测量的方法，该方法属于公知的常规方法，首先搭建包括投影仪1、相机2以及计算机3的结构光测量***，一般包括对结构光测量***进行标定的标定过程和利用结构光测量***对被测物体表面三维信息测量的测量过程。
标定过程：将标定用的标定板(未示出)放置于投影仪1和相机2的视场范围内，标定板(未示出)上设置有多个标志点，多次改变标定板(未示出)的位姿，可得到不同位姿下的标定板上的多个标志点在世界坐标系下的坐标，利用投影仪1将测量用的模板图像投射到不同位姿下的标定板(未示出)上并用相机2拍摄标定板(未示出)，利用计算机3处理用相机2拍摄得到的图像，根据从相机2拍摄得到的图像得到标定板上的多个标志点在相机的图像坐标系下的坐标和强度值，根据标定板上的多个标志点的强度值解码得到标定板上的多个标志点的相位，进而计算得到标定板上的多个标志点在投影仪的图像坐标系下的坐标，根据得到的标定板上的多个标志点在世界坐标系下的坐标、标定板上的多个标志点在相机的图像坐标系下的坐标以及标定板上的多个标志点在投影仪的图像坐标系下的坐标利用OpenCV或者Matlab的相机双目标定工具箱即可得到投影仪1的内参矩阵、相机2的内参矩阵、投影仪1和相机2之间的外参矩阵以及畸变系数。其中，世界坐标系是指原点在标定板(未示出)的左上角的坐标系，坐标单位是毫米(mm)；相机坐标系是指原点在相机光心的坐标系，坐标单位是毫米(mm)；相机的图像坐标系是指原点在相机成像平面上的图像的左上角的坐标系，坐标单位是像素(pixel)；投影仪坐标系是指原点在投影仪光心的坐标系，坐标单位是毫米(mm)；投影仪的图像坐标系是指原点在投影仪成像平面上的图像的左上角的坐标系坐标单位是像素(pixel)；投影仪1的内参矩阵和相机2的内参矩阵分别包括投影仪1和相机2的水平方向和竖直方向的焦距、图像的主点，表达了相机坐标系和投影仪坐标系分别与相机的图像坐标系和投影仪的图像坐标系之间的变换。投影仪1和相机2之间的外参矩阵均包括旋转矩阵和平移向量，表达了投影仪坐标系与相机坐标系之间的变换。基于结构光三维测量对被测物体表面三维信息测量的方法中的对结构光测量***标定具体可参见杨景豪的论文“双目立体视觉测量***的标定[J].光学精密工程,2016,24(2):300-308”。
测量过程：在已完成标定的结构光测量***中，将被测物体放置于于投影仪1和相机2的视场范围内，利用投影仪1将测量用的模板图像投射到被测物体上并用相机2拍摄被测物体，利用计算机3处理用相机2拍摄得到的图像，根据用相机2拍摄得到的图像得到被测物体的所有像素点在相机的图像坐标系下的坐标和强度值，解码所有像素点的强度值得到所有像素点的相位信息，进一步得到所有像素点在投影仪坐标系下的坐标，根据所有像素点在相机的图像坐标系下的坐标、所有像素点在投影仪的图像坐标系下的坐标、投影仪1的内参矩阵、相机2的内参矩阵、投影仪1和相机2之间的外参矩阵以及畸变系数，即可求得被测目标上的所有像素点在世界坐标系下的坐标，即完成了对被测物体表面三维信息测量，基于结构光三维测量对被测物体表面三维信息测量的方法中的利用结构光测量***对被测物体表面三维信息测量具体可参见Duan F的论文“3D profile measurement usingheterodyne dual-frequency phase shift method[C]//International Symposium onPrecision Engineering Measurements and Instrumentation.International Societyfor Optics and Photonics,2010:75444X-75444X-8”。在这里被测物体为过曝物体4，测量用的模板图像为低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组。
步骤S2中解码未过曝点数组中的Nc个未过曝点得到Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标的过程的具体实现与前述的利用结构光测量***对被测物体表面三维信息测量的测量过程相同：根据用相机2拍摄得到的图像得到被测物体的所有像素点在相机的图像坐标系下的坐标和强度值，解码所有像素点的强度值得到所有像素点的相位信息，进一步得到所有像素点在投影仪坐标系下的坐标。在前述的利用结构光测量***对被测物体表面三维信息测量的测量过程中是对过曝物体4表面的所有像素点都进行解码，此处是对过曝物体4表面的Nc个未过曝点进行解码，都是根据点位置处(像素点或未过曝点)的强度值计算得到点位置处(像素点或未过曝点)的相位值从而进一步计算得到点位置处(像素点或未过曝点)在投影仪的图像坐标系下的坐标。
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，参照图1和图2，步骤S1包括步骤：S11：搭建包括投影仪1、相机2以及计算机3的结构光测量***，设置投影仪1与相机2的相对位置，利用***标定方法对结构光测量***标定得到相机2的内参矩阵和投影仪1的内参矩阵、相机2和投影仪1之间的外参矩阵以及畸变系数后，将过曝物体4设置在投影仪1与相机2的公共视场区域内，使投影仪1投影的图像能投射到过曝物体4上，且相机2能拍摄到过曝物体4；S12：利用计算机3生成正弦条纹图像，得到两个结构光模板图像组，两个结构光模板图像组包括低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，每个结构光模板图像组有四张图像，低频结构光模板图像组中的图像的条纹周期为Tl，高频结构光模板图像组中的图像的条纹周期为Th，Th＜Tl；并且利用计算机3生成一张辅助图像，其中，辅助图像为单色图像，强度值Ieetr＝A-1.25B，其中A和B为常数，低频结构光模板图像组中的图像的各像素点的强度值Illn和高频结构光模板图像组中的图像的各像素点的强度值Ihhn，其中，n＝1,2,3,4，为结构光模板图像组中的图像中的各像素点的相位，相同像素点在相邻两个图像之间的相位相差用投影仪1依次将低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组和辅助图像投射到过曝物体4上并用相机2拍摄过曝物体4，对应得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像，从而得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像中的各图像上的过曝物体表面的所有像素点的在相机的图像坐标系下的坐标和强度值；S13：根据步骤S12中得到的低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组中的各图像和辅助过曝物体图像上的过曝物体表面的所有像素点在相机的图像坐标系下的坐标和强度值，得到各图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值，低频过曝物体图像组中的各图像上的过曝物体表面的各像素点的强度值记为Iln，高频过曝物体图像组中的各图像上的过曝物体表面的各像素点的强度值记为Ihn，辅助过曝物体图像的各像素点的强度值记为Ietr，其中，i＝1,...,N，N为像素点的总数量，uci为第i个像素点在相机的图像坐标系下的横坐标，vci为第i个像素点在相机的图像坐标系下的纵坐标；根据低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组中的各图像判断过曝物体表面的第i个像素点(uci,vci)是否过曝，只要有一张图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值大于等于255，则第i个像素点(uci,vci)为过曝点，将第i个像素点(uci,vci)和其对应的在辅助过曝物体图像的强度值在低频过曝物体图像组的四个低频强度值以及在高频过曝物体图像组的四个高频强度值存入过曝点数组中，如果在所有图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值均小于255，则第i个像素点(uci,vci)为未过曝点，将第i个像素点(uci,vci)和其对应的在辅助过曝物体图像的强度值在低频过曝物体图像组的四个低频强度值以及在高频过曝物体图像组的四个高频强度值存入未过曝点数组中，对N个像素点均判断是否过曝，得到过曝点数组
和未过曝点数组
S14，根据步骤S13中得到的过曝点数组，对过曝点数组中的Ne个过曝点，根据各过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组的各图像组中的总过曝次数判断各过曝点的过曝程度，如果第j个过曝点在各图像组中只有一次过曝，则第j个过曝点为单值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中两次过曝，则第j个过曝点为二值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中三次过曝，则第j个过曝点为三值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中四次过曝，则第j个过曝点为四值过曝点。这里补充说明的是，第j个过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组中的至少一个中必须存在，如果在其中一个图像组中不存在过曝(也可称为零次过曝)，则零次过曝不予考虑，因为此时不影响后面的步骤S31和S32的计算。
其中，步骤S11中的利用***标定方法对结构光测量***标定即是指前述对结构光测量***进行标定的标定过程。
在这里补充说明的是，步骤S12中利用计算机生成的两个结构光模板图像组中的图像的条纹频率不同，频率相对高的那组图像为高频结构光模板图像组，如图2(a)所示为高频结构光模板图像组中的一张图像；频率相对低的那组图像为低频结构光模板图像组，如图2(b)所示为低频结构光模板图像组中的一张图像，则对应的条纹周期有Th＜Tl；步骤S12中公式Ieetr＝A-1.25B和公式中，A和B的选择只要使得Ieetr、Ihhn、Illn的值在0～255之间即可，其中在80～210之间较为合适。
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，步骤S2包括步骤：S21：根据步骤S1中得到的未过曝点数组，获得未过曝点数组中的Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标，对Nc个未过曝点进行解码，得到与Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，与第k个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的第k个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标记为S22，根据步骤S21中得到的与Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标进行划分，将所有在相机的图像坐标系下的横坐标相同的未过曝点的在相机的图像坐标系下的纵坐标和对应的投影仪的图像坐标系下的纵坐标按从小到大顺序排序组成纵坐标数组共得到Nv个纵坐标数组，其中横坐标uc*对应的纵坐标数组记为将所有在相机的图像坐标系下的纵坐标相同的未过曝点的在相机的图像坐标系下的横坐标和对应的投影仪的图像坐标系下的横坐标按从大到小的顺序排序组成横坐标数组共得到Nh个横坐标数组，其中纵坐标vc*对应的横坐标数组记为S23，根据步骤S1中得到的过曝点数组的Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标和步骤S22中得到的Nv个纵坐标数组，对第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标在Nv个纵坐标数组中找出横坐标与第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标相等的对应的纵坐标数组以在相机的图像坐标系下的纵坐标(vc1,vc2,...)为自变量，以在投影仪的图像坐标系下的纵坐标(vp1,vp2,...)为因变量，进行样条曲线拟合，得到第一拟合函数vp＝f(vc)，将第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标代入第一拟合函数vp＝f(vc)中，插值得到第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的纵坐标的估计值再根据步骤S22中得到的Nh个横坐标数组，对第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标在Nh个横坐标数组中找出纵坐标与第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标相等的对应的横坐标数组以在相机的图像坐标系下的横坐标(uc1,uc2,...)为自变量，以在投影仪的图像坐标系下的横坐标(up1,up2,...)为因变量，进行样条曲线拟合，得到第二拟合函数up＝f(uc)，将第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标代入第二拟合函数up＝f(uc)中，插值得到第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的横坐标的估计值因此得到第j个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标从而得到与Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，步骤S3中过曝点数组中的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]的计算包括步骤：S31：根据步骤S1中得到的过曝点数组，对过曝点数组中的第j个过曝点的四个高频强度值由大到小排序记为实际高频强度最大值Ihmax、实际第二高频强度值Ihsec、实际第三高频强度值Ihthd、实际高频强度最小值Ihmin，四个低频强度值和由大到小排序记为实际低频强度最大值Ilmax、实际第二低频强度值Ilsec、实际第三低频强度值Ilthd、实际低频强度最小值Ilmin，第j个过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为Ietr，计算第j个过曝点的理论高频强度最大值和理论低频强度最大值，如果第j个过曝点为单值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值I'hmax＝Ihsec+Ihthd-Ihmin，其实际低频强度最大值Ilmax＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值Il'max＝Ilsec+Ilthd-Ilmin；如果第j个过曝点为二值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值其实际低频强度最大值Ilmax＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值其中，coshmax和coshthd分别表示第j个过曝点的实际高频强度最大值Ihmax与实际第三高频强度值Ihthd对应相位的余弦值，coslmax和coslthd分别表示第j个过曝点的实际低频强度最大值Ilmax与实际第三低频强度值Ilthd对应相位的余弦值；如果第j个过曝点为三值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝Ihsec＝Ihthd＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值其实际低频强度最大值Ilmax＝Ilsec＝Ilthd＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值其中，coshmin、coslmin分别表示实际高频强度最小值对应相位的余弦值和实际低频强度最小值对应相位的余弦值；如果第j个过曝点为四值过曝点，不估计其理论高频强度最大值和其理论低频强度最大值；S32：计算第j个过曝点的强度修正系数Kj，如果第j个过曝点为单值过曝点、二值过曝点或三值过曝点第j个过曝点的高频强度修正系数为和低频强度修正系数为其中Ioet为过曝判断阈值，取值为255；若过曝点j为四值过曝点，第j个过曝点的高频强度修正系数I'hmax和低频强度修正系数I′lmax分别取为其附近点中最大的高频强度修正系数和最大的低频强度修正系数，则第j个过曝点的强度修正系数从而得到Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]。在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，步骤S31中的coshmax、coshthd、coslmax、coslthd、coshmin和coslmin的值均由第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标确定；对于第j个过曝点在投影坐标系下的估计坐标对高频结构光模板图像组，第j个过曝点的初始相位为其中，Th为图像的条纹周期，从而得到高频结构光模板图像组中的各图像的相位的余弦值分别为 将四个余弦值按从大到小顺序排序并依次定义为coshmax、coshsec、coshthd、coshmin；对于低频结构光模板图像组，第j个过曝点的初始相位为其中，Tl为图像的条纹周期，从而得到低频结构光模板图像组中的各图像的相位的余弦值分别为 将四个余弦值按从大到小顺序并依次定义为coslmax,coslsec,coslthd,coslmin。
在这里补充说明的是，步骤S32中若过曝点j为四值过曝点，第j个过曝点的高频强度修正系数I'hmax和低频强度修正系数I′lmax分别取为其附近点中最大的高频强度修正系数和最大的低频强度修正系数，其中，附近点的区域通常取在第j个过曝点的周围5×5像素点大小邻域内，如果过曝严重可适当取更大区域。
步骤S32中过曝判断阈值Ioet一般取值为255，当环境光强度变化较大或外界干扰影响较大时，可适当降低过曝判断阈值Ioet，保证修改后不再发生过曝。
在根据本发明的对过曝物体表面三维信息测量的方法中，步骤S4包括步骤：S41：由于过曝点数组中的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标存在误差，则将估计坐标扩大为5×5像素点大小的正方形估计域；S42，对投影仪1投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标的估计域修改强度值，修改后的强度值为其中，Ip为修改前的第j个过曝点的强度值，对不同过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标的估计域重合的部分，选择最小的修改后的强度值作为该过曝点修改后的强度值，从而对应的完成投影仪1投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的Ne个过曝点处的强度值的修改，生成新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组。

Claims (6)

1.一种对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，包括步骤：
S1：利用计算机(3)生成两个结构光模板图像组以及一张辅助图像，两个结构光模板图像组包括低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，搭建包括投影仪(1)、相机(2)以及计算机(3)的结构光测量***，基于结构光三维测量，利用投影仪(1)投影低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像对过曝物体表面的所有像素点的三维信息进行测量，其中，依次将低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组以及辅助图像投影到过曝物体表面并用相机拍摄过曝物体表面，依次得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像，从而得到过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，根据得到的过曝物体表面的所有像素点和其对应的在低频过曝物体图像组的四个低频强度值、在高频过曝物体图像组的四个高频强度值和在辅助过曝物体图像的强度值，将所有像素点区分为过曝点与未过曝点，分别存入过曝点数组和未过曝点数组中，分别得到过曝点数组
其中，Ne为过曝点的总数量，过曝点数组中第j个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为j＝1,...,Ne，第j个过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第j个过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
和未过曝点数组
其中，Nc为未过曝点的总数量，未过曝点数组中第k个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标为k＝1,...,Nc，第k个未过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为第k个未过曝点的四个高频强度值为和以及四个低频强度值为和
判断过曝点数组中的各过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组的各图像组中的过曝程度，即为单值过曝点、二值过曝点、三值过曝点或四值过曝点；
S2：根据步骤S1中得到的未过曝点数组和过曝点数组，解码未过曝点数组中的Nc个未过曝点，得到Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，并利用Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标和在相机的图像坐标系下的坐标插值估计得到与过曝点数组中的Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的在投影仪的图像坐标系下的估计坐标
S3：根据步骤S1中得到的过曝点数组计算过曝点数组中的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]；
S4：根据步骤S2中得到的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标和步骤S3中得到的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]修改投影仪(1)投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标处的强度值，生成新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组；
S5，重复步骤S1，投影步骤S4中得到的新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，计算过曝点的总数量和占过曝物体表面的所有像素点总数量的比例，如果该比例小于等于所设阈值，则利用当前新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组基于结构光三维测量完成过曝物体表面三维信息的测量，即得到过曝物体表面的所有像素点在世界坐标系下的坐标；如果该比例大于所设阈值，重复步骤S2-S5，直至满足比例小于等于所设阈值的条件。
2.根据权利要求1所述的对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，步骤S1包括步骤：
S11：搭建包括投影仪(1)、相机(2)以及计算机(3)的结构光测量***，设置投影仪(1)与相机(2)的相对位置，利用***标定方法对结构光测量***标定得到相机(2)的内参矩阵和投影仪(1)的内参矩阵、相机(2)和投影仪(1)之间的外参矩阵以及畸变系数后，将过曝物体(4)设置在投影仪(1)与相机(2)的公共视场区域内，使投影仪(1)投影的图像能投射到过曝物体(4)上，且相机(2)能拍摄到过曝物体(4)；
S12：利用计算机(3)生成正弦条纹图像，得到两个结构光模板图像组，两个结构光模板图像组包括低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组，每个结构光模板图像组有四张图像，低频结构光模板图像组中的图像的条纹周期为Tl，高频结构光模板图像组中的图像的条纹周期为Th，Th＜Tl；并且利用计算机(3)生成一张辅助图像，其中，辅助图像为单色图像，强度值Ieetr＝A-1.25B，其中A和B为常数，低频结构光模板图像组中的图像的各像素点的强度值Illn和高频结构光模板图像组中的图像的各像素点的强度值Ihhn，其中，n＝1,2,3,4，为结构光模板图像组中的图像中的各像素点的相位，相同像素点在相邻两个图像之间的相位相差用投影仪(1)依次将低频结构光模板图像组、高频结构光模板图像组和辅助图像投射到过曝物体(4)上并用相机(2)拍摄过曝物体(4)，对应得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像，从而得到低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组和辅助过曝物体图像中的各图像上的过曝物体表面的所有像素点的在相机的图像坐标系下的坐标和强度值；
S13：根据步骤S12中得到的低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组中的各图像和辅助过曝物体图像上的过曝物体表面的所有像素点在相机的图像坐标系下的坐标和强度值，得到各图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值，低频过曝物体图像组中的各图像上的过曝物体表面的各像素点的强度值记为Iln，高频过曝物体图像组中的各图像上的过曝物体表面的各像素点的强度值记为Ihn，辅助过曝物体图像的各像素点的强度值记为Ietr，其中，i＝1,...,N，N为像素点的总数量，uci为第i个像素点在相机的图像坐标系下的横坐标，vci为第i个像素点在相机的图像坐标系下的纵坐标；根据低频过曝物体图像组、高频过曝物体图像组中的各图像判断过曝物体表面的第i个像素点(uci,vci)是否过曝，只要有一张图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值大于等于255，则第i个像素点(uci,vci)为过曝点，将第i个像素点(uci,vci)和其对应的在辅助过曝物体图像的强度值在低频过曝物体图像组的四个低频强度值 以及在高频过曝物体图像组的四个高频强度值存入过曝点数组中，如果在所有图像上的第i个像素点(uci,vci)的强度值均小于255，则第i个像素点(uci,vci)为未过曝点，将第i个像素点(uci,vci)和其对应的在辅助过曝物体图像的强度值在低频过曝物体图像组的四个低频强度值以及在高频过曝物体图像组的四个高频强度值存入未过曝点数组中，对N个像素点均判断是否过曝，得到过曝点数组
和未过曝点数组
S14，根据步骤S13中得到的过曝点数组，对过曝点数组中的Ne个过曝点，根据各过曝点在低频过曝物体图像组和高频过曝物体图像组的各图像组中的总过曝次数判断各过曝点的过曝程度，如果第j个过曝点在各图像组中只有一次过曝，则第j个过曝点为单值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中两次过曝，则第j个过曝点为二值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中三次过曝，则第j个过曝点为三值过曝点；如果第j个过曝点在各图像组中四次过曝，则第j个过曝点为四值过曝点。
3.根据权利要求2所述的对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，步骤S2包括步骤：
S21：根据步骤S1中得到的未过曝点数组，获得未过曝点数组中的Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标，对Nc个未过曝点进行解码，得到与Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标，与第k个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的第k个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标记为
S22，根据步骤S21中得到的与Nc个未过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Nc个未过曝点在投影仪的图像坐标系下的坐标进行划分，将所有在相机的图像坐标系下的横坐标相同的未过曝点的在相机的图像坐标系下的纵坐标和对应的投影仪的图像坐标系下的纵坐标按从小到大的顺序排序组成纵坐标数组共得到Nv个纵坐标数组，其中横坐标uc*对应的纵坐标数组记为将所有在相机的图像坐标系下的纵坐标相同的未过曝点的在相机的图像坐标系下的横坐标和对应的投影仪的图像坐标系下的横坐标按从大到小的顺序排序组成横坐标数组共得到Nh个横坐标数组，其中纵坐标vc*对应的横坐标数组记为
S23，根据步骤S1中得到的过曝点数组的Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标和步骤S22中得到的Nv个纵坐标数组，对第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标在Nv个纵坐标数组中找出横坐标与第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标相等的对应的纵坐标数组以在相机的图像坐标系下的纵坐标(vc1,vc2,...)为自变量，以在投影仪的图像坐标系下的纵坐标(vp1,vp2,...)为因变量，进行样条曲线拟合，得到第一拟合函数vp＝f(vc)，将第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标代入第一拟合函数vp＝f(vc)中，插值得到第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的纵坐标的估计值再根据步骤S22中得到的Nh个横坐标数组，对第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标在Nh个横坐标数组中找出纵坐标与第j个过曝点在相机的图像坐标系下的纵坐标相等的对应的横坐标数组以在相机的图像坐标系下的横坐标(uc1,uc2,...)为自变量，以在投影仪的图像坐标系下的横坐标(up1,up2,...)为因变量，进行样条曲线拟合，得到第二拟合函数up＝f(uc)，将第j个过曝点在相机的图像坐标系下的横坐标代入第二拟合函数up＝f(uc)中，插值得到第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的横坐标的估计值因此得到第j个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标从而得到与Ne个过曝点在相机的图像坐标系下的坐标对应的Ne个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标
4.根据权利要求2所述的对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，步骤S3中过曝点数组中的Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]的计算包括步骤：
S31：根据步骤S1中得到的过曝点数组，对过曝点数组中的第j个过曝点的四个高频强度值由大到小排序记为实际高频强度最大值Ihmax、实际第二高频强度值Ihsec、实际第三高频强度值Ihthd、实际高频强度最小值Ihmin，四个低频强度值和由大到小排序记为实际低频强度最大值Ilmax、实际第二低频强度值Ilsec、实际第三低频强度值Ilthd、实际低频强度最小值Ilmin，第j个过曝点在辅助过曝物体图像的强度值为Ietr，计算第j个过曝点的理论高频强度最大值和理论低频强度最大值，如果第j个过曝点为单值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值I'hmax＝Ihsec+Ihthd-Ihmin，其实际低频强度最大值Ilmax＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值Il'max＝Ilsec+Ilthd-Ilmin；如果第j个过曝点为二值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值其实际低频强度最大值Ilmax＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值其中，coshmax和coshthd分别表示第j个过曝点的实际高频强度最大值Ihmax与实际第三高频强度值Ihthd对应相位的余弦值，coslmax和coslthd分别表示第j个过曝点的实际低频强度最大值Ilmax与实际第三低频强度值Ilthd对应相位的余弦值；如果第j个过曝点为三值过曝点，其实际高频强度最大值Ihmax＝Ihsec＝Ihthd＝255，因存在失真，则其理论高频强度最大值其实际低频强度最大值Ilmax＝Ilsec＝Ilthd＝255，因存在失真，则其理论低频强度最大值其中，coshmin、coslmin分别表示实际高频强度最小值对应相位的余弦值和实际低频强度最小值对应相位的余弦值；如果第j个过曝点为四值过曝点，不估计其理论高频强度最大值和其理论低频强度最大值；
S32：计算第j个过曝点的强度修正系数Kj，如果第j个过曝点为单值过曝点、二值过曝点或三值过曝点，第j个过曝点的高频强度修正系数为和低频强度修正系数为其中Ioet为过曝判断阈值，取值为255；若过曝点j为四值过曝点，第j个过曝点的高频强度修正系数I'hmax和低频强度修正系数Il'max分别取为其附近点中最大的高频强度修正系数和最大的低频强度修正系数，则第j个过曝点的强度修正系数从而得到Ne个过曝点的强度修正系数[K1,K2,...,Kj,...KNe]。
5.根据权利要求4所述的对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，步骤S31中的coshmax、coshthd、coslmax、coslthd、coshmin和coslmin的值均由第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标确定；对于第j个过曝点在投影坐标系下的估计坐标对高频结构光模板图像组，第j个过曝点的初始相位为其中，Th为图像的条纹周期，从而得到高频结构光模板图像组中的各图像的相位的余弦值分别为将四个余弦值按从大到小顺序排序并依次定义为coshmax、coshsec、coshthd、coshmin；对于低频结构光模板图像组，第j个过曝点的初始相位为其中，Tl为图像的条纹周期，从而得到低频结构光模板图像组中的各图像的相位的余弦值分别为将四个余弦值按从大到小顺序并依次定义为coslmax,coslsec,coslthd,coslmin。
6.根据权利要求1所述的对过曝物体表面三维信息测量的方法，其特征在于，步骤S4包括步骤：
S41：由于过曝点数组中的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标存在误差，则将估计坐标扩大为5×5像素点大小的正方形估计域；
S42，对投影仪(1)投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的第j个过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标的估计域修改强度值，修改后的强度值为其中，Ip为修改前的第j个过曝点的强度值，对不同过曝点在投影仪的图像坐标系下的估计坐标的估计域重合的部分，选择最小的修改后的强度值作为该过曝点修改后的强度值，从而对应的完成投影仪(1)投影的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组中各图像中的Ne个过曝点处的强度值的修改，生成新的低频结构光模板图像组和高频结构光模板图像组。
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