CN111721237A - 全自动多频离焦投影三维成像测量***及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全自动多频离焦投影三维成像测量***,该***包括投影仪、工业相机、调焦机构以及计算机;所述的计算机分别与调焦机构、投影仪和工业相机连接,调焦机构固定在投影仪上;投影仪用于将计算机生成的正弦光栅图像及二值光栅图投影到被测物体上;工业相机设置在被测物体前方,用于采集正弦光栅图像和二值光栅图像并将其传输给计算机;计算机以图像质量评价值作为依据,利用爬山法搜索到最佳离焦位置,进而实现多频离焦投影三维测量。本发明能够消除在三维成像过程中因离焦程度不变而带来的相位误差,提高了相位精度,实现了全自动测量。
Description
技术领域
本发明涉及三维信息重构技术领域,具体涉及一种全自动多频离焦投影三维成像测量***及其测量方法。
背景技术
科技与社会的日新月异呈现出对三维数据的巨大需求,推动着三维测量技术的快速发展,其在国防安全、先进制造、医疗诊断、文化教育、影视娱乐等领域的广泛应用,改善、丰富着人类的生活水平。现有的三维测量技术多种多样,根据是否运用光学传感获取信息可分为光学和非光学两大类。
数字光栅投影三维测量技术由于其非接触式、高普适性、高分辨率、高精度、高速等优点,成为目前光学三维测量领域的科学研究和产品研发的热点,得到越来越广泛的应用。
二值光栅离焦技术是指在使用投影仪投影时,调节镜头使得投影画面模糊,从而使投出的二值光栅图像接近正弦光栅。相对于传统的正弦光栅投影技术,二值光栅离焦技术具有很多优点:由于只使用两个灰度值,所以不需要非线性伽马校正;使用DLP投影仪不需要严格的相机曝光时间和同步;投影图像为二值图像,因此可实现更高的测量速度。
相位解包裹是数字光栅投影法中很重要的一步,为了提高相位解包裹的准确性,通常采用双频或多频相位解包裹方式,但是在二值光栅离焦技术中,难以实现双频或多频相移算法,因为难以在相同的离焦度下同时产生具有不同频率的高质量正弦条纹图案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全自动多频离焦投影三维成像测量***及其测量方法。
为解决上述技术问题,本发明的全自动多频离焦投影三维成像测量***包括投影仪、工业相机、调焦机构以及计算机;所述的计算机分别与调焦机构、投影仪和工业相机连接,调焦机构固定在投影仪上;投影仪用于将计算机生成的正弦光栅图像及二值光栅图投影到被测物体上;工业相机设置在被测物体前方,用于采集正弦光栅图像和二值光栅图像并将其传输给计算机;
所述的计算机包括调焦控制模块,图像生成模块,图像处理模块;
调焦控制模块:用于控制调焦机构实现投影仪离焦量的调整;
图像生成模块:用于生成两组高频和一组低频标准正弦光栅图及相应频率的二值光栅图,将标准正弦光栅图和二值光栅图存储到投影仪的存储器中;
图像处理模块:对正弦光栅图像进行相位解调得到正弦光栅相位图;对不同离焦量条件下采集到的相应频率的二值光栅图像进行相位解调得到二值光栅相位图;以正弦光栅相位图作为基准对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;用爬山法搜索到两个高频和一个低频对应的评价值最小的最佳离焦量位置;利用多频相移方法,根据两个高频和一个低频对应最佳离焦量位置采集的二值光栅图像求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,完成三维重建。
上述全自动多频离焦投影三维成像测量***的测量方法包括以下步骤:
步骤1、计算机生成两组高频和一组低频的同样大小的三组标准正弦光栅图,将三组标准正弦光栅图分别使用Floyd–Steinberg误差扩散方法进行抖动优化处理生成同样大小的三组二值光栅图;将标准正弦光栅图和二值光栅图存入投影仪内部存储器中;
步骤2、投影仪在聚焦模式下,将其中一个频率的一组标准正弦光栅图依次投影到被测物体表面,用工业相机对准被测物体表面采集正弦光栅图像并传输给计算机;计算机根据采集的一组正弦光栅图像计算得到正弦光栅相位图;
步骤3:投影仪在离焦模式下,将同频率的一组二值光栅图依次投影到被测物体表面;用工业相机对准被测物体表面采集二值光栅图像并传输给计算机,计算机根据采集的一组二值光栅图像进行相位解调,得到二值光栅相位图,再以正弦光栅相位图作为基准对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;
步骤4:通过计算机控制投影仪离焦机构进行离焦量调整,并采集相应离焦量下的一组二值光栅图像;计算机对此时得到的一组二值光栅图像进行相位解调得到相应的二值光栅相位图,以正弦光栅相位图作为基准对该二值光栅相位图进行质量评价,得到评价值;
步骤5:通过计算机控制投影仪离焦机构连续调整离焦量并采集多组二值光栅图像,重复步骤4得到各组二值光栅图像对应的评价值;用爬山法搜索到最小评价值对应的最佳离焦量位置,此时采集的二值光栅图像即为相应频率最佳离焦量位置的二值光栅图像;
步骤6:重复步骤2~5,得到另外两个频率对应的最佳离焦量位置的二值光栅图像;利用多频相移方法求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,进行三维重建,完成被测物体表面三维测量。
所述的评价值为归一化均方误差NMSE(I,Id):
其中H和W分别为图像的高和宽,I(x,y)为标准正弦光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;Id(x,y)为采集得到的光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;整个式子反应了整体图像的亮度统计误差。
所述的评价值为均方误差MSE(I,Id):
其中H和W分别为图像的高和宽,I(x,y)为标准正弦光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;Id(x,y)为采集得到的光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;整个式子反应了整体图像的亮度统计误差。
所述的评价值为平均绝对误差MAE(I,Id):
其中H和W分别为图像的高和宽,I(x,y)为标准正弦光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;Id(x,y)为采集得到的光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;整个式子反应了整体图像的亮度统计误差。
本发明的优点和有益效果
为了解决在二值光栅离焦技术中,难以实现双频或多频相移算法的问题。本发明利用图像质量评价值作为依据,利用爬山法搜索到最佳离焦位置,进而实现全自动多频离焦投影三维测量,能够消除在三维成像过程中因离焦程度不变而带来的相位误差。相较于现有技术,本发明具有以下优点:使用二值光栅离焦技术,使得投影及图像采集速度得到较大提升,进而提升了三维成像速度;通过对采集到的光栅图像进行质量评价来进行自动离焦,很好的解决了不同频率的高质量标准正弦光栅图像需要不同的离焦量的问题;使用二值光栅离焦技术,投影仪不需要进行非线性校正,提高了相位精度;整个***工作流程全由计算机控制,实现了全自动测量。
附图说明
图1为本发明的整个三维成像测量***结构框图;
图2为本发明的三维成像测量方法流程图;
图3为本发明测得的石膏三维面片图像。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的主要内容是通过对采集到的光栅图像进行质量评价来进行自动离焦,很好的解决了不同频率的高质量正弦光栅图像需要不同的离焦量的问题。
如图1所示,本发明的全自动多频离焦投影三维成像***包括投影仪、工业相机、调焦机构以及计算机;计算机分别与调焦机构、投影仪和工业相机连接;调焦机构固定在投影仪上,用于投影仪离焦量调整;投影仪用于将计算机生成的正弦光栅图像及二值光栅图投影到被测物体上;工业相机设置在被测物体前方,用于采集正弦光栅图像和二值光栅图像并将其传输给计算机。
所述的计算机包括调焦控制模块,图像生成模块,图像处理模块;
调焦控制模块:用于控制调焦机构的电机实现投影仪离焦量调整;
图像生成模块:用于生成两组高频和一组低频标准正弦光栅图及相应频率的二值光栅图,将标准正弦光栅图和二值光栅图存储到投影仪的存储器中;三组标准正弦光栅图像的周期分别为32、40和180个像素;每组包含有至少3张不同相位的正弦光栅图像;
图像处理模块:对正弦光栅图像进行相位解调得到正弦光栅相位图;对不同离焦量条件下采集到的相应频率的二值光栅图像进行相位解调得到二值光栅相位图;以正弦光栅相位图作为基准对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;用爬山法搜索到两个高频和一个低频对应的评价值最小的最佳离焦量位置;利用多频相移方法,根据两个高频和一个低频对应最佳离焦量位置采集的二值光栅图像求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,完成三维重建。
其中评价值为归一化均方误差NMSE(I,Id),均方误差MSE(I,Id),或者平均绝对误差MAE(I,Id);具体表示为:
其中H和W分别为图像的高和宽,I为计算机生成的标准正弦光栅图像,Id为采集得到的光栅图像,I(x,y)为标准正弦光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;Id(x,y)为采集得到的光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;整个式子反应了整体图像的亮度统计误差;用爬山法搜索到两个高频和一个低频对应的评价值最小的最佳离焦量位置;利用多频相移方法,根据两个高频和一个低频对应最佳离焦量位置采集的光栅图像求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,完成三维重建。
如图2所示,上述全自动多频离焦投影三维成像测量***的测量方法包括以步骤:
步骤1、计算机生成两组高频和一组低频标准正弦光栅图像及其相应频率的二值光栅图:利用计算机生成两组高频和一组低频m行n列的标准正弦光栅图,三组标准正弦光栅图的周期分别为32、40和180个像素;将三组标准正弦光栅图分别使用Floyd–Steinberg误差扩散方法进行抖动优化处理生成同样大小的三组二值光栅图;将标准正弦光栅图和二值光栅图存入投影仪内部存储器中;
步骤2、投影仪在聚焦模式下,将周期为32个像素的一组正弦光栅图使用投影仪dlp6500依次投影到被测物体表面,用工业相机对准被测物体表面采集正弦光栅图像并传输给计算机;计算机根据采集的一组正弦光栅图像计算得到正弦光栅相位图;
步骤3:投影仪在离焦模式下,将周期为32个像素的一组二值光栅图依次投影到被测物体表面;用工业相机对准被测物体表面采集二值光栅图像并传输给计算机,计算机根据采集的一组二值光栅图像进行相位解调,得到二值光栅相位图,再以正弦光栅相位图作为基准,对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;评价值为归一化均方误差NMSE(I,Id),均方误差MSE(I,Id),或者平均绝对误差MAE(I,Id);具体表示为:
其中H和W分别为图像的高和宽,I为计算机生成的标准正弦光栅图像,Id为采集得到的光栅图像,I(x,y)为标准正弦光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;Id(x,y)为采集得到的光栅图像第x行、第y列像素点的亮度;整个式子反应了整体图像的亮度统计误差。
步骤4:通过计算机控制投影仪离焦机构进行离焦量调整,按照步骤3的方法采集相应离焦量下的一组二值光栅图像并对该组二值光栅图像进行相位解调得到相应的二值光栅相位图,以正弦光栅相位图作为基准对该二值光栅相位图进行质量评价,得到评价值;
步骤5:通过计算机控制投影仪离焦机构连续调整离焦量并采集不同离焦量下的多组二值光栅图像,按照步骤3的方法求出每组二值光栅图像对应的评价值;利用爬山法,根据评价值判断离焦方向是否正确,如评价值渐大,则离焦量调整方向错误,控制电机进行反方向调整,使得评价值逐渐减小,直到搜索到最小评价值对应的最佳离焦量位置,此时采集的二值光栅图像即为相应频率最佳离焦量位置的二值光栅图像;
步骤6:重复步骤2~5,得到对应于周期为40和180个像素的最佳离焦量位置的二值光栅图像;利用多频相移方法求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,进行三维重建,完成被测物体表面三维测量。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种全自动多频离焦投影三维成像测量***,该***包括投影仪、工业相机、调焦机构以及计算机;所述的计算机分别与调焦机构、投影仪和工业相机连接,调焦机构固定在投影仪上;投影仪用于将计算机生成的正弦光栅图像及二值光栅图投影到被测物体上;工业相机设置在被测物体前方,用于采集正弦光栅图像和二值光栅图像并将其传输给计算机;
所述的计算机包括调焦控制模块,图像生成模块,图像处理模块;
调焦控制模块:用于控制调焦机构实现投影仪离焦量的调整;
图像生成模块:用于生成两组高频和一组低频标准正弦光栅图及相应频率的二值光栅图,将标准正弦光栅图和二值光栅图存储到投影仪的存储器中;
图像处理模块:对正弦光栅图像进行相位解调得到正弦光栅相位图;对不同离焦量条件下采集到的相应频率的二值光栅图像进行相位解调得到二值光栅相位图;以正弦光栅相位图作为基准对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;用爬山法搜索到两个高频和一个低频对应的评价值最小的最佳离焦量位置;利用多频相移方法,根据两个高频和一个低频对应最佳离焦量位置采集的二值光栅图像求得准确相位,根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标,完成三维重建。
2.一种如权利要求1所述全自动多频离焦投影三维成像测量***的测量方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、计算机生成两组高频和一组低频的同样大小的三组标准正弦光栅图,将三组标准正弦光栅图分别使用Floyd–Steinberg误差扩散方法进行抖动优化处理生成同样大小的三组二值光栅图;将标准正弦光栅图和二值光栅图存入投影仪内部存储器中;
步骤2、投影仪在聚焦模式下,将其中一个频率的一组标准正弦光栅图依次投影到被测物体表面,用工业相机对准被测物体表面采集正弦光栅图像并传输给计算机;计算机根据采集的一组正弦光栅图像计算得到正弦光栅相位图;
步骤3:投影仪在离焦模式下,将同频率的一组二值光栅图依次投影到被测物体表面;用工业相机对准被测物体表面采集二值光栅图像并传输给计算机,计算机根据采集的一组二值光栅图像进行相位解调,得到二值光栅相位图,再以正弦光栅相位图作为基准对二值光栅相位图进行质量评价得到评价值;
步骤4:通过计算机控制投影仪离焦机构进行离焦量调整,并采集相应离焦量下的一组二值光栅图像;计算机对此时得到的一组二值光栅图像进行相位解调得到相应的二值光栅相位图,以正弦光栅相位图作为基准对该二值光栅相位图进行质量评价,得到评价值;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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