CN108225217A - 彩色物体三维轮廓测量方法 - Google Patents

彩色物体三维轮廓测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108225217A
CN108225217A CN201711464928.5A CN201711464928A CN108225217A CN 108225217 A CN108225217 A CN 108225217A CN 201711464928 A CN201711464928 A CN 201711464928A CN 108225217 A CN108225217 A CN 108225217A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bar graph
phase
color
width
color body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711464928.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108225217B (zh
Inventor
宋宗玺
李宝鹏
李伟
雷浩
成鹏飞
申超
高伟
樊学武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Original Assignee
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS filed Critical XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority to CN201711464928.5A priority Critical patent/CN108225217B/zh
Publication of CN108225217A publication Critical patent/CN108225217A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108225217B publication Critical patent/CN108225217B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种彩色物体三维轮廓测量方法。本发明首先利用光度计测量出3CCD相机的三通道耦合矩阵，消除物理器件对测量过程的影响，相比于利用投影红、绿、蓝图像至白纸上计算耦合矩阵具有更高的精度；对于彩色物体表面反射率的求取，该方法实质上相当于在物体每一点都投影了三原色，利用互补关系，通过叠加互补色，求取的反射率矩阵K抵消了干扰。较之投射均匀白光求取的反射率K，投影互补彩色条纹的方法能起到更好的结构光条纹补偿效果，补偿后的图像具有更好的正弦性。本方法只需投影四副图像至彩色物体表面就可以更精确的求得彩色物体的三维轮廓信息，兼顾了测量速度，可以实现快速测量的目标。

Description

彩色物体三维轮廓测量方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种彩色物体三维轮廓测量方法。
背景技术
现有的彩色物体三维轮廓测量的仪器主要是采用一维或二维机械装置控制结构光进行物体的扫描，这些仪器的共同缺点为测量速度较慢。如意大利国家研究委员会利用结构光扫描实现彩色三维轮廓测量的仪器和日本Konica Minolta公司的Vivid910系列采用激光三角测距原理的便携式激光扫描仪。
结构光投影式测量***具有：测量速度快，全场一次成像的优点。但是现有的结构光投影式***的测量对象为白色或浅色物体，或在彩色被测物上喷显影剂，对于彩色物体的测量还没有找到一种好办法。
在传统的结构光投影式三维测量中，投影出的结构光受到被测物体表面颜色的影响，导致结构光颜色误判增加。由于物体表面具有不同的颜色，也就是对RGB三通道的反射率不平衡，导致CCD采集到的图像其颜色并不是投影的结构光的颜色，而是结构光与物体自身颜色混叠后的状态。
Caspi等在论文‘Range imaging with adaptive color structured light’中提出了彩色响应模型，该模型反映测量***中CCD相机采集到的像素值与投影仪投影的图像之间的响应关系为：
即，M＝AKP(I)+M0
式中，M＝[R G B]T是CCD相机采集到的图像上任意指定点的像素实际值；M0＝[R0G0 B0]T是在环境光影响下的像素背景值，在室内光照条件下，通常忽略M0的影响；I＝[r gb]T是投影仪所投影的图像上对应点的像素设定值；矩阵A是投影仪和CCD相机之间的三通道耦合矩阵；P是像素设定值与实际投影出的图像的RGB值之间的对应关系；反射率矩阵K是该点对RGB三个分量的不同反射率。
论文“一种针对彩色物体的光栅投影三维测量方法”提出通过投影两幅互补的光栅，求取物体表面逐点的反射率，该方法只是部分消弱了彩色物体的影响，测量精度有待于进一步提高；而且该方法只能利用傅里叶变换法求取包裹相位，限制了它的使用范围，对于复杂、陡峭或存在孤立区域的彩色物体测量在相位展开时很难求得准确的相位解包裹结果。Caspi通过投影一幅白色和一幅黑色的图到物体表面进行补偿，论文“三维面形测量中减小物体彩色纹理影响的新方法”提出预先标定白板的颜色响应，近似求取物体表面的颜色信息来减小对测量***的影响，但是上述两种方法不能很好的改善光栅的正弦性。
利用结构光投影法测量物体三维轮廓一直是一个热点研究问题，前人已经做了很多的研究工作。对于彩色物体三维轮廓的测量，国内外科研人员也做了许多研究，但是测量精度不高，不能很好的消弱彩色物体表面颜色对测量的影响。
发明内容
本发明目的是提供一种彩色物体三维轮廓测量方法，解决了现有的测量方法因彩色物体颜色干扰而导致测量精度低的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种彩色物体三维轮廓测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)测量彩色3CCD相机的三通道耦合矩阵A，并求出逆矩阵A-1；
2)制作三幅由红、绿、蓝三色组成的呈互补关系的条纹图，第一幅条纹图是按红、绿、蓝顺序排列的格雷编码条纹图，第二幅条纹图按绿、蓝、红顺序排列，第三幅条纹图按蓝、红、绿顺序排列；同一个像素点在三幅条纹图中的像素值之和为255；
3)将步骤2)制作的三幅互补的条纹图投影至被测彩色物体的表面；
4)用彩色3CCD相机分别采集得到变形条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形条纹图的图像数据输送至计算机；
5)将三幅变形条纹图中的同一个像素点的实际像素值逐个进行叠加，求解每一个像素点的反射率矩阵K，并求出逆矩阵K-1；
6)生成三幅具有同周期、同振幅、相邻条纹有120度相位差的正弦条纹图，然后将这三幅正弦条纹图作为彩色图像的三层数据，生成彩色相移条纹图；
7)将步骤6)生成的彩色相移条纹图投影至被测彩色物体的表面；
8)用彩色3CCD相机采集得到变形相移条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形相移条纹图的图像数据输送至计算机；
9)利用步骤1)得到的A-1和步骤5)得到的K-1对变形相移条纹图中每一个像素点进行补偿，还原出准确的彩色编码信息与相位信息；
10)采用相移法从补偿后的图像中提取出包裹相位信息，并进行相位解包裹；根据相位解包裹之后的相位图，利用三角法原理求得每一个像素点的高度信息，得出彩色物体三维轮廓。
进一步地，步骤6)中的正弦条纹图是由Matlab软件生成的光强按正弦规律变化的正弦条纹图。
进一步地，步骤6)中产生正弦条纹图的公式为
其中，(u,v)为像素坐标，I为投射光强值，Im为投射光强的最大值，f为条纹空间频率，δ为条纹的初相位。
进一步地，步骤6)中产生彩色相移条纹图的公式为
其中，I1、I2和I3分别为三个正弦条纹图的投射光强值。
进一步地，步骤10中提取包裹相位信息的方法是利用Matlab软件把采集到的变形相移条纹图分为三幅相移灰度图像，利用三步相移技术求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位。
本发明的有益效果在于：本发明首先利用光度计测量出3CCD相机的三通道耦合矩阵，消除物理器件对测量过程的影响，相比于利用投影红、绿、蓝图像至白纸上计算耦合矩阵具有更高的精度；对于彩色物体表面反射率的求取，该方法实质上相当于在物体每一点都投影了三原色，利用互补关系，通过叠加互补色，求取的反射率矩阵K抵消了干扰。较之投射均匀白光求取的反射率K，投影互补彩色条纹的方法能起到更好的结构光条纹补偿效果，补偿后的图像具有更好的正弦性。本方法只需投影四副图像至彩色物体表面就可以更精确的求得彩色物体的三维轮廓信息，兼顾了测量速度，可以实现快速测量的目标。
附图说明
图1为红绿蓝格雷编码条纹图。
图2为红绿蓝格雷编码条纹的补色图。
图3为彩色相移条纹图。
具体实施方式
本发明为一种彩色物体三维轮廓测量方法，该方法可以消弱彩色物体颜色对结构光投影三维测量干扰，具体包括以下步骤：
第一步，利用光度计测量彩色3CCD相机的三通道耦合矩阵A，因为三通道耦合矩阵A属于相机本身的属性与实际采集图像中像素的具体空间位置无关，只需要预先测量一次，其测量的结果可以用于以后采集图像的所有像素点的校正，三通道耦合矩阵A表达式如下：
并计算出其逆矩阵A-1；
第二步，设计三幅由红、绿、蓝三色组成的条纹图，第一幅是按红、绿、蓝顺序排列的格雷编码条纹图，条纹图如图1所示，第二幅按绿、蓝、红顺序排列，第三幅按蓝、红、绿顺序排列，这三幅图每幅图同一个像素点中分别对应三原色中的一种颜色，这三幅条纹图相加为255，形成了互补关系，设第一幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x1,y1,z1,第二幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x2,y2,z2,第三幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x3,y3,z3,任意一个像素点的RGB通道实际像素值满足
第三步，由投影仪投影这三幅互补的彩色条纹至被测的彩色物体表面，图1的互补彩色条纹图如图2所示；
第四步，用彩色3CCD相机采集变形的彩色条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形的彩色条纹图像数据输送至计算机；
第五步，将上一步中的三幅图像的实际像素值逐个进行对应点的叠加，
将三幅图像的实际像素值逐个进行对应点的叠加，得到
化简得到方程组
由于室内光照条件下R0，G0，B0近似为零，利用上式可以分别解出每一个点的反射率矩阵K，
并求出矩阵K-1；
第六步，利用Matlab软件生成三个具有同周期、同振幅、相邻条纹有120度相位差的正弦条纹，光强按正弦规律变化的正弦条纹由软件产生条纹图，产生正弦条纹图的公式为
其中，(u,v)为像素坐标，I为投射光强值，Im为投射光强的最大值，f为条纹空间频率，δ为条纹的初相位。
彩色相移条纹产生的公式也是由生成正弦条纹的基本公式产生而来的，
其中，I1、I2和I3分别为三个正弦条纹图的投射光强值，产生的彩色相移条纹图如图3所示。
第七步，由投影仪投影彩色相移条纹至被测物体表面；
第八步，用彩色3CCD相机采集变形相移条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形相移条纹图像数据输送至计算机；
第九步，结合第一步中求出的A-1，对图像的每一个像素值[R G B]T均乘以A-1进行校正，就可以消除三通道耦合对彩色图像质量的影响。结合第五步求出的K-1，对图像的每一个像素值[R G B]T均乘以K-1进行校正，就可以消弱彩色物体表面每一点的反射，消弱彩色物体和投影仪投影的彩色莫尔条纹产生的相互干扰，对采集到的变形的彩色莫尔条纹图中每一个像素点作如下运算：
M＝K-1A-1[A]
便可还原出准确的彩色编码信息与相位信息；
第十步，采用相移法从补偿后的图像中提取出包裹相位信息，即利用Matlab软件把采集到的变形相移条纹图分为三幅相移灰度图像，利用三步相移技术求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位，进行相位解包裹，结合相机和投影仪的标定，利用三角法原理可以求得每一个像素点的高度信息，得出彩色物体三维轮廓。

Claims (5)

1.一种彩色物体三维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)测量彩色3CCD相机的三通道耦合矩阵A，并求出逆矩阵A-1；
2)制作三幅由红、绿、蓝三色组成的呈互补关系的条纹图，第一幅条纹图是按红、绿、蓝顺序排列的格雷编码条纹图，第二幅条纹图按绿、蓝、红顺序排列，第三幅条纹图按蓝、红、绿顺序排列；同一个像素点在三幅条纹图中的像素值之和为255；
3)将步骤2)制作的三幅互补的条纹图投影至被测彩色物体的表面；
4)用彩色3CCD相机分别采集得到变形条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形条纹图的图像数据输送至计算机；
5)将三幅变形条纹图中的同一个像素点的实际像素值逐个进行叠加，求解每一个像素点的反射率矩阵K，并求出逆矩阵K-1；
6)生成三幅具有同周期、同振幅、相邻条纹有120度相位差的正弦条纹图，然后将这三幅正弦条纹图作为彩色图像的三层数据，生成彩色相移条纹图；
7)将步骤6)生成的彩色相移条纹图投影至被测彩色物体的表面；
8)用彩色3CCD相机采集得到变形相移条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形相移条纹图的图像数据输送至计算机；
9)利用步骤1)得到的A-1和步骤5)得到的K-1对变形相移条纹图中每一个像素点进行补偿，还原出准确的彩色编码信息与相位信息；
10)采用相移法从补偿后的图像中提取出包裹相位信息，并进行相位解包裹；根据相位解包裹之后的相位图，利用三角法原理求得每一个像素点的高度信息，得出彩色物体三维轮廓。
2.根据权利要求1所述的彩色物体三维轮廓测量方法，其特征在于：步骤6)中的正弦条纹图是由Matlab软件生成的光强按正弦规律变化的正弦条纹图。
3.根据权利要求2所述的彩色物体三维轮廓测量方法，其特征在于：步骤6)中产生正弦条纹图的公式为
其中，(u,v)为像素坐标，I为投射光强值，Im为投射光强的最大值，f为条纹空间频率，δ为条纹的初相位。
4.根据权利要求3所述的彩色物体三维轮廓测量方法，其特征在于：步骤6)中产生彩色相移条纹图的公式为
其中，I1、I2和I3分别为三个正弦条纹图的投射光强值。
5.根据权利要求1-4中任一所述的彩色物体三维轮廓测量方法，其特征在于：步骤10)中提取包裹相位信息的方法是利用Matlab软件把采集到的变形相移条纹图分为三幅相移灰度图像，利用三步相移技术求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位。
CN201711464928.5A 2017-12-28 2017-12-28 彩色物体三维轮廓测量方法 Active CN108225217B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711464928.5A CN108225217B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 彩色物体三维轮廓测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711464928.5A CN108225217B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 彩色物体三维轮廓测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108225217A true CN108225217A (zh) 2018-06-29
CN108225217B CN108225217B (zh) 2019-11-15

Family

ID=62646659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711464928.5A Active CN108225217B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 彩色物体三维轮廓测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108225217B (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109916922A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 易思维（杭州）科技有限公司 镜面/类镜面物体的缺陷检测方法
CN110401827A (zh) * 2019-07-26 2019-11-01 易思维（杭州）科技有限公司 一种正弦条纹图像的快速投影***
CN110595364A (zh) * 2019-08-29 2019-12-20 广州大学 一种基于ccd相机的空间位移与应变测量装置和方法
CN112611341A (zh) * 2020-11-28 2021-04-06 四川大学 基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法
CN112781522A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 复旦大学 一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪
CN113029037A (zh) * 2019-12-09 2021-06-25 大族激光科技产业集团股份有限公司 物体的轮廓测量方法、装置、计算机设备和可读存储介质
CN113654486A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 西安交通大学 一种快速彩色条纹图相位解调算法及***
CN114234847A (zh) * 2021-12-08 2022-03-25 苏州恒视智能科技有限公司 光栅投影***及光栅相移高度测量自动校正补偿方法
CN114295076A (zh) * 2022-01-05 2022-04-08 南昌航空大学 一种解决基于结构光的微小物体测量阴影问题的测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004264249A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Fujitsu Ltd 格子パターン投影法における画像処理方法、計測装置及び画像処理装置
CN101526340A (zh) * 2009-03-20 2009-09-09 东南大学 基于格雷编码原理的光栅条纹图像的条纹彩色编码方法
CN102243103A (zh) * 2011-04-13 2011-11-16 西安交通大学 一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法
CN102607465A (zh) * 2012-03-13 2012-07-25 西安交通大学 一种基于彩色相移条纹二次编码的相位去包裹方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004264249A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Fujitsu Ltd 格子パターン投影法における画像処理方法、計測装置及び画像処理装置
CN101526340A (zh) * 2009-03-20 2009-09-09 东南大学 基于格雷编码原理的光栅条纹图像的条纹彩色编码方法
CN102243103A (zh) * 2011-04-13 2011-11-16 西安交通大学 一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法
CN102607465A (zh) * 2012-03-13 2012-07-25 西安交通大学 一种基于彩色相移条纹二次编码的相位去包裹方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨栋等: "基于RGB三通道相位调制彩色编码", 《科技信息》 *
胡路遥等: "一种针对彩色物体的光栅投影三维测量方法", 《光学学报》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109916922A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 易思维（杭州）科技有限公司 镜面/类镜面物体的缺陷检测方法
CN110401827A (zh) * 2019-07-26 2019-11-01 易思维（杭州）科技有限公司 一种正弦条纹图像的快速投影***
CN110401827B (zh) * 2019-07-26 2022-05-17 易思维（杭州）科技有限公司 一种正弦条纹图像的快速投影***
CN110595364B (zh) * 2019-08-29 2022-03-25 广州大学 一种基于ccd相机的空间位移与应变测量装置和方法
CN110595364A (zh) * 2019-08-29 2019-12-20 广州大学 一种基于ccd相机的空间位移与应变测量装置和方法
CN113029037A (zh) * 2019-12-09 2021-06-25 大族激光科技产业集团股份有限公司 物体的轮廓测量方法、装置、计算机设备和可读存储介质
CN112611341A (zh) * 2020-11-28 2021-04-06 四川大学 基于彩色响应模型的彩色物体快速三维测量方法
CN112781522A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 复旦大学 一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪
CN113654486A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 西安交通大学 一种快速彩色条纹图相位解调算法及***
CN114234847A (zh) * 2021-12-08 2022-03-25 苏州恒视智能科技有限公司 光栅投影***及光栅相移高度测量自动校正补偿方法
CN114234847B (zh) * 2021-12-08 2024-01-30 苏州恒视智能科技有限公司 一种光栅投影***及光栅相移高度测量自动校正补偿方法
CN114295076A (zh) * 2022-01-05 2022-04-08 南昌航空大学 一种解决基于结构光的微小物体测量阴影问题的测量方法
CN114295076B (zh) * 2022-01-05 2023-10-20 南昌航空大学 一种解决基于结构光的微小物体测量阴影问题的测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108225217B (zh) 2019-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108225217B (zh) 彩色物体三维轮廓测量方法
CN202074952U (zh) 基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取***
CN107607060B (zh) 一种应用于光栅三维投影测量中的相位误差补偿方法
CN101813461B (zh) 基于复合彩色条纹投影的绝对相位测量方法
EP2401575B1 (en) Method and apparatus for generating a display of a three-dimensional surface
CN101576379B (zh) 基于二维彩色标靶的主动投影三维测量***快速标定方法
CN101871773B (zh) 同步色相相移转换方法以及其三维形貌量测***
Zappa et al. Static and dynamic features of Fourier transform profilometry: A review
CN104596439A (zh) 一种基于相位信息辅助的散斑匹配三维测量方法
CN110514143A (zh) 一种基于反射镜的条纹投影***标定方法
CN104376558A (zh) 一种基于长方体的Kinect深度相机的内参标定方法
CN108955574A (zh) 一种三维测量方法及***
Dai et al. A dual-frequency fringe projection three-dimensional shape measurement system using a DLP 3D projector
CN102032878A (zh) 基于双目立体视觉测量***的精确在线测量方法
CN105674912B (zh) 结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置和方法
CN106871815A (zh) 一种Kinect与条纹反射法结合的类镜面三维面形测量方法
CN107063128A (zh) 一种双频相移三维测量方法及***
Chen et al. High accuracy 3D calibration method of phase calculation-based fringe projection system by using LCD screen considering refraction error
CN106767528A (zh) 一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量***的标定方法
CN104501741B (zh) 一种用于三维面形测量的正交光栅相移方法
CN100561118C (zh) 三维数字化测量中的一种颜色渲染方法
CN102243103A (zh) 一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法
CN107941168A (zh) 基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置
CN109523627A (zh) 一种基于泰勒指数表达式型面结构光的三维重建方法
CN105937887B (zh) 基于三值化三色交叉网格条纹的三维面形测量方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant