CN107917679B - 一种高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，该方法包括以下步骤：投影面结构光、采集图像，进行网格划分，设定灰度阈值，计算网格区域内超过或低于该阈值的像素百分比，计算高亮度或过暗度，然后通过相位匹配，在投影光栅条纹图像相应区域处，通过补偿调节该投影光栅图像的平均灰度I₀和灰度调制I₁，以获得采集图像高亮或过暗区域对应的投影图像相应区域的灰度调整。从而使相机采集到灰度信息有效、相位信息清楚的条纹图像，消除和补偿高亮、过暗区域，获得更多的有效区域，提高测量精度的目的。

Description

一种高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法

技术领域

本发明涉及一种补偿方法，更进一步，涉及一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法。

背景技术

三维重建技术是三维测量技术的延伸，通过一定的方法获取目标物体的三维形貌信息，并通过一定的算法处理，重建物体的三维轮廓。近年来三维重建技术在文物保护、逆向工程、虚拟现实等领域也得到越来越多的应用。

三维重建技术根据测量时是否与测量物体接触，分为接触式测量和非接触式测量两类。在众多的三维重建方法中，基于结构光的三维重建拥有着非接触、精度高、易于实现、实时性强等特点，近年来成为视觉重建领域的研究热门。

基于面结构光的三维重建原理：根据相机***的小孔成像原理和投影仪投影***的三角测量原理，获取物体表面的三维点坐标，具体步骤为：投影仪将具有已知相位信息的面结构光投射到被测物体表面，受物体表面几何形状的影响，投影的面结构光被调制，同时由另一位置的相机同步采集图像，最后通过解调经物体表面调制的条纹图来得到相应的相位分布，再根据相位、坐标的求解关系重建出物体的三维形貌。

存在的问题：在面结构光测量中，能否准确的获取相位分布信息和相位-坐标关系的几何模型，直接影响到三维测量的精度和效率。在实际测量中，由于物体表面局部镜面反射或者视觉遮挡等因素，往往使得所拍摄的照片，出现局部高亮或过暗，从而导致相位信息的缺失，极大的影响了测量精度和准确性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，该方法能够使基于面结构光三维测量过程中通过对工业相机采集图像高亮、过暗区域的检测和相位匹配，计算高亮度或过暗度，对投影图像对应区域光强进行调节，消除和补偿拍摄图像中的局部高亮、过暗区域，使采集图像包含更多有效灰度信息，继而解得清楚、准确的相位信息，提高测量精度。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，该方法包括步骤：

步骤1：通过投影仪向被测物体表面投影具有已知相位信息的光栅条纹结构光，并将其定义为一个投影图像；

步骤2：通过相机同步采集经过该被测物体表面调制的条纹图像，并将其定义为一个采集图像；

步骤3：对该投影图像和该采集图像进行网格划分，以得到多个网格区域；

步骤4：计算该采集图像每个网格区域内超过或低于一个灰度阈值的像素百分比，确定是否为高亮或过暗区域，并计算高亮度或过暗度；

步骤5：通过相位匹配，在该投影图像的相应区域内，通过补偿调节平均灰度I₀和灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整；和

步骤6：再次获得该投影图像和该采集图像，并重复步骤3至步骤5，直到获得每个该网格区域内的高亮度或过暗度达到正常的图像为止，以实现动态补偿。

作为对本发明的该补偿方法的进一步优选的实施例，所述步骤3中，根据该投影仪投影的该光栅条纹结构光，选取合适的水平宽度n和垂直高度h，对该投影仪投影的该投影图像和该相机采集的该采集图像分别进行网格划分，以得到多个网格区域。

作为对本发明的该补偿方法的进一步优选的实施例，所述步骤4进一步包括：

步骤4.1：设定该灰度阈值的参数为I_s，其中I_s的取值范围为0<I_s<255；

步骤4.2：根据每个该网格区域内的水平宽度n和垂直高度h，计算该投影图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比α，并设定该α为正常值；

步骤4.3：计算该采集图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比β，如果β＞α，则该区域为高亮或过暗区域；和

步骤4.4：计算β和α的差值γ，其中γ＝β-α，其中γ的值为该网格区域高亮度或过暗度。

作为对本发明的该补偿方法的进一步优选的实施例，所述步骤5进一步包括步骤：

步骤5.1：在该采集图像的高亮或过暗区域检测完成后，选择该区域内第一个像素点

根据多步相移法和多频外差相位展开，求得水平和垂直方向的绝对相位值Φ_x、Φ_y

步骤5.2：通过解相，找出投影光栅条纹的对应区域；

步骤5.3：通过如下关系：

计算出在该投影图像上的对应点

步骤5.4：找出该投影图像对应的网格区域；

步骤5.5：根据所述步骤4中计算出的高亮度或过暗度γ，调节该投影图像该区域内的平均灰度I₀、灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整。从而实现对该采集图像高亮、过暗区域的补偿。本发明提供的一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法的有益效果在于：该补偿方法通过计算高亮度或过暗度，然后通过相位匹配，在该投影图像的相应区域，通过补偿降低或提高灰度值，来消除或补偿采集图像局部高亮、过暗区域，使采集图像包含更多有效灰度信息，提高解相速度和精度。该补偿方法操作简单，能够提高对被测量物体进行三维测量时的精度和准确性，适合大规模的推广和应用。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的测量***的示意图。

图2是本发明的该基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法的流程示意图。

图3是本发明的该基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法的测量过程示意图。

图4是本发明的该基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法的简要实施示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图3所示是依本发明的发明精神提供的一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其通过一个测量***来实现，该测量***包括一个投影仪1、一个工业相机2以及一个终端3，该投影仪1和该工业相机2布置在被测物体前方，并且该投影仪1和该工业相机2均连接于该终端3。该终端3能够控制该投影仪1向该被测量物体投射具有相位信息的条纹光栅结构光，该工业相机2能够实时采集经过该被测量物体表面调制的条纹光栅图像，并将其发送到该终端3以进行分析和后续的操作，例如进行该方法的操作。

结合图1所示，本发明公开一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法。本发明公开一种高亮、过暗区域动态检测、补偿，提高三维测量精度的方法，具体步骤如下：

步骤1：由如图1所示的面结构光测量***，主要由该投影仪1、该工业相机2、该终端 3组成，其中该投影仪1和该工业相机2布置在被测物体前方，其布置位置应保证该工业相机2拍摄范围覆盖该投影仪1的投影范围。例如，在图1这个例子中，该投影仪1和该工业相机2分别位于该被测物体的前方，并且该投影仪1和该工业相机2分别位于该被测物体的两侧，从而该投影仪1能够从该被测物体的前方的一个侧部向该被测物体投影调制后的条纹图像，该工业相机2能够从该被测物体的前方的另一个侧部拍摄被投射到该被测物体的该条纹图像。

步骤2：由该投影仪1将已知相位信息的光栅条纹如图3投影到被测物体表面(这里采用正弦条纹)，通过该工业相机2同步采集经过物体表面调制后相位变形的条纹图像如图3，存至该终端3。

步骤3：根据光栅条纹的水平分辨率N和垂直分辨率H，如图3选取合理的水平宽度n和垂直高度h，对采集图像和投影图像进行网格划分，为A1、A2、A3…

步骤4：由于条纹光栅采用正弦分布，灰度值在2π周期内以0-255正弦分布，如果图像局部区域出现高亮或者过暗情况，就会出现在一定相位内，灰度值均会在一个较大或较小的范围之内变化，从而使得标准正弦波形变成不规则的锯齿波形。

步骤5：因此，根据上述现象，设定一个灰度值阈值I_s，由于网格划分区域内水平宽度n，垂直高度h已知，因此可以算出正弦投影光栅条纹该区域内超过或低于该阈值的像素个数百分比α，设该值为正常值，同时计算出采集条纹图像每个网格内超过或低于该阈值的像素个数百分比β，如果β>α，则该网格区域就是高亮或过暗区域，设两者的差值，即γ＝β-α，为该区域高亮度、过暗度。

步骤6：该采集图像高亮或过暗区域确定，下一步就是通过解相，找出该投影图像所对应的区域。

步骤7：根据相移法，光强(灰度值)和相位的关系可表示为：

其中I_n(x,y)为该点的光强(灰度值)，I₀(x,y)为平均灰度，I₁(x,y)为图像的灰度调制，

为相位主值，α_n为相移大小。

步骤8：采用多频外差进行相位展开：这里所求出的相位

在单个相位周期内的是唯一的，但是由于整个条纹光栅包含多个周期，因此必须对其进行相位展开以得到连续的绝对相位值Φ(x,y),相位展开的方法很多，这里选用稳定性和精度更高的多频外差原理进行相位展开

其中：Φ_n(x,y)为求得的绝对相位值，

为相移主值，

为了解决多频外差计算精度的问题，优选地，采用Reich等人提出的三种频率分别为λ₁＝1/70、λ₂＝1/64、λ₃＝1/59光栅来进行相位展开。

步骤9：根据多步相移法和多频外差相位展开，求得水平和垂直方向的绝对相位值Φ_x、Φ_y，然后通过如下关系：

其中，

分别为图像坐标系下点

在水平、垂直方向的绝对相位值，N_v、N_h为光栅图像的条纹数，W、H分别为投影光栅图像的水平、垂直分辨率。

步骤10：通过以上计算，该采集图像高亮区域内的点与该投影图像内的点完成了匹配，以高亮网格区域内左上角第一个像素点

计算，找出该投影图像内对应的点

找出该投影图像上的对应网格。

步骤11：由前可知，该采集图像的I_n(x,y)灰度值是由I₀(x,y)平均灰度，I₁(x,y)图像的灰度调制，

相位主值，α_n相移大小所决定，因此根据步骤5算出的高亮度、过暗度γ，调节该投影图像对应区域内的平均灰度I₀、灰度调制I₁如图3。

步骤12：将调节过后的该投影图像重新投影到被测物体表面，工业相机采集，重复前面步骤，直到高亮度或过暗度趋近正常值，则补偿完毕如图3。

总的来说，本发明对基于面结构光三维测量***中，采集图像出现局部高亮、过暗区域动态检测、补偿的技术思路是，利用网格划分，阈值设定来检测出高亮、过暗区域，同时基于多频外差解相等优选方法，找出投影光栅图像的对应区域，再根据高亮度、过暗度调节该区域内的平均灰度I₀和灰度调制I₁，再将调节后的投影图像投影、采集，重复。从而使得再次采集图像获得灰度信息有效、相位信息清楚的条纹图像，提高精度。

也就是说，本发明提供了一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

步骤1：通过投影仪1向被测物体表面投影具有已知相位信息的光栅条纹结构光，并将其定义为一个投影图像；

步骤2：通过相机2同步采集经过该被测物体表面调制的条纹图像，并将其定义为一个采集图像；

步骤3：对该投影图像和该采集图像进行网格划分，以得到多个网格区域；

步骤4：确定每个该网格区域内超过或低于一个灰度阈值的像素百分比，并计算高亮度或过暗度；

步骤5：通过相位匹配，在该投影图像的相应区域内，通过补偿调节平均灰度I₀和灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整。

步骤6：再次获得该投影图像和该采集图像，并重复步骤3至步骤5，直到获得每个该网格区域内的高亮度和/或过暗度达到正常的图像为止，以实现动态补偿。

进一步地，所述步骤3中，根据该投影仪1投影的该光栅条纹结构光，选取合适的相位周期n和垂直高度h，对该投影仪1投影的该投影图像和该相机采集的该采集图像分别进行网格划分，以得到多个网格区域。

优选地，所述步骤4进一步包括：

步骤4.1：设定该灰度阈值的参数为I_s，其中I_s的取值范围为0<I_s<255；

步骤4.2：根据每个该网格区域内的水平宽度n和垂直高度h，计算该投影图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比α，并设定该α为正常值；

步骤4.3：计算该采集图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比β，如果β＞α，则该区域为高亮或过暗区域；以及

步骤4.4：计算β和α的差值γ，其中γ＝β-α，其中γ的值为该网格区域高亮度或过暗度。

优选地，所述步骤5进一步包括步骤：

步骤5.1：在该采集图像的高亮或过暗区域检测完成后，选择该区域内第一个像素点

根据多步相移法和多频外差相位展开，求得水平和垂直方向的绝对相位值Φ_x、Φ_y

步骤5.2：通过解相，找出投影光栅条纹的对应区域；

步骤5.3：通过如下关系：

找出在该投影图像上的对应点

步骤5.4：找出对应该网格区域；

步骤5.5根据所述步骤4中计算出的高亮度或过暗度γ，调节该区域内的平均灰度I₀、灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整。从而实现对该采集图像高亮、过暗区域的补偿。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

步骤1：通过投影仪向被测物体表面投影具有已知相位信息的光栅条纹结构光，并将其定义为一个投影图像；

步骤2：通过相机同步采集经过该被测物体表面调制的条纹图像，并将其定义为一个采集图像；

步骤3：对该投影图像和该采集图像进行网格划分，以得到多个网格区域；

步骤4：计算该采集图像每个网格区域内超过或低于一个灰度阈值的像素百分比，确定是否为高亮或过暗区域，并计算高亮度或过暗度；

步骤5：通过相位匹配，在该投影图像的相应区域内，通过补偿调节平均灰度I₀和灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整；

所述步骤5包括步骤：

步骤5.1：在该采集图像的高亮和/或过暗区域检测完成后，选择该区域内第一个像素点

根据多步相移法和多频外差相位展开，求得水平和垂直方向的绝对相位值Φx、Φy

步骤5.2：通过解相，找出投影光栅条纹的对应区域；

步骤5.3：通过如下关系：

找出在该投影图像上的对应点

其中，

分别为图像坐标系下点

在水平、垂直方向的绝对相位值，N_v、N_h为光栅图像的条纹数，W、H分别为投影光栅图像的水平、垂直分辨率；

步骤5.4：找出该投影图像对应该网格区域；

步骤5.5：根据所述步骤4中计算出的高亮度或过暗度γ，调节该区域内的平均灰度I₀、灰度调制I₁，以获得该采集图像高亮或过暗区域对应的该投影图像相应区域的灰度调整；从而实现对该采集图像高亮、过暗区域的补偿；

步骤6：再次获得该投影图像和该采集图像，并重复步骤3至步骤5，直到获得每个该网格区域内的高亮度或过暗度达到正常的图像为止，以实现动态补偿。

2.如权利要求1所述的一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其特征在于，所述步骤3中，根据该投影仪投影的该光栅条纹结构光，选取合适的水平宽度n和垂直高度h，对该投影仪投影的该投影图像和该相机采集的该采集图像分别进行网格划分，以得到多个网格区域。

3.如权利要求1所述的一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：

步骤4.1：设定该灰度阈值的参数为Is，其中Is的取值范围为0<Is<255；

步骤4.2：根据每个该网格区域内的水平宽度n和垂直高度h，计算该投影图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比α，并设定该α为正常值；

步骤4.3：计算该采集图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比β，如果β＞α，则该区域为高亮或过暗区域；和

步骤4.4：计算β和α的差值γ，其中γ＝β-α，其中γ的值为该网格区域高亮度或过暗度。

4.如权利要求2所述的一种基于面结构光三维测量中高亮、过暗区域动态检测、补偿的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：

步骤4.1：设定该灰度阈值的参数为Is，其中Is的取值范围为0<Is<255；

步骤4.2：根据每个该网格区域内的水平宽度n和垂直高度h，计算该投影图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比α，并设定该α为正常值；

步骤4.3：计算该采集图像在该网格区域内超过或低于该灰度阈值的像素百分比β，如果β＞α，则该区域为高亮或过暗区域；以及

步骤4.4：计算β和α的差值γ，其中γ＝β-α，其中γ的值为该网格区域高亮度和/或过暗度。

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