CN113143521A - 一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，包括在标准光强L₀条件下，通过采集标准色块的灰度图像的RGB三个单通道的灰度值进行颜色标定；利用多项式回归算法，建立标准光强L₀下的线性回归方程Ⅰ，计算出线性回归方程Ⅰ在标准光强L₀下的系数矩阵A，得到RGB通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色之间的映射关系f1；在标准光强L₀基础上，增强至L₀+L，建立标准光强L₀+L下的线性回归方程Ⅱ，并将光强L₀+L条件下图像的灰度值还原回光强为L₀时图像的灰度值，代入所述映射关系f1中；得到图像的真实颜色。本发明提供的一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法使还原的彩色图像不受入射光光强的影响，并准确实时的还原出真实的彩色图像。

Description

一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法。

背景技术

目前，大部分的牙齿三维扫描设备为了节约更多的成本和安装空间而未配彩色相机模组，一般使用两个单通道工业相机形成双目测量***，采集灰度图时，通过改变投影光的颜色得到红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)下的灰度图，再通过三幅单通道灰度图合成彩色图像。双目测量***易于安装且价格低廉，但是三通道灰度融合的图像颜色会因环境光强的变化发生改变，导致彩色图像不真实，当提高投影光的强度时，融合的彩色图像颜色失真。

现阶段，对于这一类的三维扫描设备的颜色矫正算法主要采用多项式回归法、人工神经网络法、SVR法，根据实际验证，综合校正误差和计算时间表明，多项式回归算法更适用于扫描设备的图像颜色矫正，但是常规的多项式回归法对图像颜色的矫正效果受光强度的影响，从而影响彩色图像的成像效果。而对于牙齿三维扫描设备的应用场景，由于牙齿的缝隙处进光量较少，需要增强入射光光强，且需实时显示彩色图像，常规的利用多项式回归法矫正图像颜色的方法无法满足牙齿三维扫描设备的应用场景中对于颜色矫正的需求。

亟需一种计算速度快、可准确实时还原出彩色图像、且还原出的彩色图像不受光强度影响的图像颜色矫正方法以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法以改善上述问题。

第一方面，本发明提供了一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，包含以下步骤：

S1：在标准光强L₀条件下，通过采集标准色块的灰度图像的RGB三个单通道的灰度值进行颜色标定；利用多项式回归算法，建立标准光强L₀下的线性回归方程Ⅰ，计算出线性回归方程Ⅰ在标准光强L₀下的系数矩阵A，得到RGB通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色之间的映射关系f1；

S2：在标准光强L₀基础上，增强至L₀+L，建立标准光强L₀+L下的线性回归方程Ⅱ，并将光强L₀+L条件下图像的灰度值还原回光强为L₀时图像的灰度值，并代入所述映射关系f1中；

S3：根据所述映射关系f1矫正彩色图像颜色，得到图像的真实颜色。

更优地，步骤S2中，在光强为L₀+L条件下进行二次颜色标定，通过线性回归方程Ⅱ得到其在光强为L₀+L的系数矩阵B，求得L0+L光强下的灰度值与基于L0光强下灰度值增加值之间的映射关系f2。

更优地，线性回归方程Ⅱ对应的矩阵方程Ⅳ，在入射光强为L₀+L时设备采集到的三个单通道图像的灰度值和代入矩阵方程Ⅳ所得的三个单通道的灰度值增加值的差值即得光强为L₀+L还原为光强为L₀时图像的灰度值。

更优地，所述线性回归方程Ⅰ的矩阵形式为矩阵方程Ⅲ，将还原为光强为L₀所得到的灰度值代入矩阵方程Ⅲ计算可得图像真实颜色所对应的RGB三个单通道图像的灰度值，进而得到图像的真实颜色。

更优地，步骤S1中，采用项数为10的(x，xy，x²，1)回归模型进行标定，在标准光强L0的条件下，设第i个标准色块的颜色组合为R_0i、G_0i、B_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R_i、G_i、B_i，则线性回归方程Ⅰ满足，

其中，a_ij为回归方程的转换系数，v_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型；

所述线性回归方程Ⅰ的矩阵形式为：

X＝A^T·V (Ⅲ)

其中，X为3×I的标准色块三通道值矩阵，A为J×3的转换系数矩阵，V＝J×I的多项式回归矩阵，则，由最小二乘法求得矩阵A，A＝(V·V^T)^-1·(V·X^T)，即可计算出标准光强L₀下线性回归方程Ⅰ的系数矩阵A。

更优地，回归模型v_ij具体为{1，R_i，G_i，B_i，R_iG_i，R_iB_i，G_iB_i，R_i ²，G_i ²，B_i ²}。

更优地，在二次颜色标定的过程中，在入射光光强值为L₀+L时，设第i个标准色块的灰度增加值R′_0i、G′_0i、B′_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R′_i、G′_i、B′_i，则线性回归方程Ⅱ满足：

其中，b_ij为回归方程的转换系数，w_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型；通过线性回归方程Ⅱ计算出光强为L₀+L条件下，转换系数b_ij对应的系数矩阵B。

更优地，回归模型w_ij具体为{L，R′_i，G′_i，B′_i，R′_iG′_i，R′_iB′_i，G′_iB′_i，R'_i ²，G'_i ²，B'_i ²}。

更优地，标准色块采集于24色标准比色板。

本发明的技术效果为：本发明提供的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法可以在改变入射光强的情况下仍然可以保证图像颜色还原的效果，使还原的彩色图像不受入射光光强的影响，并通过所得的单通道灰度图像准确实时的还原出真实的彩色图像。

附图说明

图1为本发明提供的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法的流程图；

图2为本发明提供的矫正后R通道灰度图像的成像效果图；

图3为本发明提供的矫正后G通道灰度图像的成像效果图；

图4为本发明提供的矫正后B通道灰度图像的成像效果图；

图5为本发明提供的矫正后RGB三通道融合的彩色图像的成像效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，如图1所示，包括光强未增强时的矫正方法和光强增强时的矫正方法。

光强未增强时，采集标准色块的灰度图像建立标准光强L₀下灰度值矩阵，并进行颜色标定，计算标准光强下的回归系数矩阵，根据扫描所得的灰度图像，代入标准光强L₀条件下颜色标定计算出系数矩阵的线性回归方程中，计算真实图像的灰度值矩阵，即得RGB像素通道值组合，进而得到矫正后的彩色图像。

光强增强时，设定光强从L₀增强至L₀+L，建立L₀+L条件下光强增强值的灰度值矩阵，并进行二次颜色标定，进而计算增强的回归系数矩阵，根据二次颜色标定所得到的增强的回归系数矩阵计算图像的灰度值增强值，扫描所得的灰度图像并与灰度值增强值做差值以还原回标准光强值的灰度值，并将其代入标准光强L₀条件下颜色标定时建立的线性回归方程对应的矩阵方程中，进一步计算可得图像的真实颜色对应的灰度值矩阵，从而得到图像校正后的真实颜色。具体包括以下步骤：

S1：在标准光强L₀条件下，通过采集标准色块的灰度图像的RGB三个单通道的灰度值进行颜色标定；利用多项式回归算法，建立标准光强L₀下的线性回归方程Ⅰ，计算出线性回归方程Ⅰ在标准光强L₀下的系数矩阵A，得到RGB三个单通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色之间的映射关系f1；

具体计算步骤如下：

考虑到计算量、运算速度、回归精度等因素，采用项数为10的(x，xy，x²，1)回归模型进行标定，在标准光强L₀的条件下，设24色标准比色板第i个标准色块的颜色组合为R_0i、G_0i、B_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R_i、G_i、B_i，则线性回归方程Ⅰ满足，

其中，a_ij为回归方程的转换系数，v_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型，回归模型v_ij具体为{1，R_i，G_i，B_i，R_iG_i，R_iB_i，G_iB_i，R_i ²，G_i ²，B_i ²}；

所述线性回归方程Ⅰ的矩阵形式为：

X＝A^T·V (Ⅲ)

其中，X为3×I(I＝24)的标准色块三通道值矩阵，A为J×3(J＝10)的转换系数矩阵，V＝J×I的多项式回归矩阵，则，由最小二乘法求得矩阵A，A＝(V·V^T)^-1·(V·X^T)，即可计算出标准光强L₀下线性回归方程Ⅰ的系数矩阵A。

由于入射光分为红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)，当某通道增强入射光的光照强度时，不同颜色的物体的成像情况是非线性变化的，所以需要对不同光强的成像效果进行颜色标定。

S2：在标准光强L₀基础上，增强至L₀+L，建立标准光强L₀+L下的线性回归方程Ⅱ，求得L₀+L光强下的灰度值与基于L₀光强下灰度值增加值之间的映射关系f2，并将光强L₀+L条件下图像的灰度值还原回光强为L₀时图像的灰度值，代入所述映射关系f1中；

具体计算步骤如下：

在二次颜色标定的过程中，在入射光光强值为L₀+L时，设第i个标准色块的灰度增加值R′_0i、G′_0i、B′_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R′_i、G′_i、B′_i，则线性回归方程Ⅱ满足：

其中，b_ij为回归方程的转换系数，w_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型，回归模型w_ij具体为{L，R'_i，G'_i，B'_i，R'_iG'_i，R'_iB'_i，G'_iB'_i，R'_i ²，G'_i ²，B'_i ²}；通过线性回归方程Ⅱ计算出光强为L₀+L条件下，转换系数b_ij对应的系数矩阵B，求得L₀+L光强下的灰度值与基于L₀光强下灰度值增加值之间的映射关系f2，至此，二次颜色标定过程结束。

所述线性回归方程Ⅰ的矩阵形式为矩阵方程Ⅲ，线性回归方程Ⅱ的矩阵形式为：

X′＝B^T·W (Ⅳ)

入射光强为L₀+L时设备采集到的三个单通道图像的灰度值和代入矩阵方程Ⅳ所得的三个单通道的灰度值增加值的差值即得光强为L₀+L还原为光强为L₀时图像的灰度值。对于待还原的彩色图像，在实际颜色还原时，将还原为光强L₀时所得到的灰度值代入RGB三个单通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色之间的映射关系f1中，计算可得图像真实颜色对应的三个单通道的灰度值，进而合成图像的真实颜色

具体地，包括在入射光强为L₀+L时，定义设备所采集到的三个单通道的灰度值分别为R_L、G_L、B_L，根据二次颜色标定时所得系数矩阵B，并通过线性回归方程Ⅱ对应的矩阵方程Ⅳ可得三个单通道的灰度值增加值分别为R₀、G₀、B₀，则将光强为L₀+L所得的灰度值还原为光强为L₀时图像的灰度值即为R_L-R₀、G_L-G₀、B_L-B₀，将其代入矩阵方程Ⅲ中的回归模型中，其中，矩阵方程Ⅲ可反映出采集到的RGB通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色所对应的三个单通道图像的灰度值之间的映射关系f1，从而可计算图像的真实颜色所对应的三个单通道图像的灰度值，进而可合成图像的真实颜色；

S3：根据映射关系f1矫正彩色图像颜色，得到图像的真实颜色。

通过本发明所提供的方法用于三维扫描仪图像的颜色矫正，可以快速还原彩色图像，并且可以避免入射光光强对成像效果的影响。图2-5是本发明所提供的方法用于牙齿三维扫描设备矫正后的RGB三个单通道的灰度图像以及融合后的彩色图像的成像效果图。

综上所述，本发明提供了一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，通过标准比色板对标准颜色进行标定，并使用多项式回归算法计算灰度值组合，并进行了二次颜色标定，标定了光强增强时的回归系数矩阵，建立光强增强值与灰度变换值之间的线性回归方程，从而还原出标准光强下图像的灰度值，并代入RGB三通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色的映射关系f1，计算真实颜色所对应的RGB三通道的灰度值，进而合成图像的真实颜色，实现颜色的矫正。本发明提供的颜色矫正方法，在改变入射光强的情况下仍然可以保证图像颜色还原的效果，使还原的彩色图像不受入射光光强的影响，并通过所得的单通道灰度图像准确实时的还原出真实的彩色图像。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：在标准光强L0条件下，通过采集标准色块的灰度图像的RGB三个单通道的灰度值进行颜色标定；利用多项式回归算法，建立标准光强L0下的线性回归方程Ⅰ，计算出线性回归方程Ⅰ在标准光强L0下的系数矩阵A，并得到RGB通道灰度图像的灰度值组合与真实颜色之间的映射关系f1；

S2：在标准光强L0基础上，增强至L0+L，建立标准光强L0+L下的线性回归方程Ⅱ，并将光强L0+L条件下图像的灰度值还原回光强为L0时图像的灰度值，并代入所述映射关系f1中；

S3：根据所述映射关系f1矫正彩色图像颜色，得到图像的真实颜色。

2.根据权利要求1所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，步骤S2中，在光强为L₀+L条件下进行二次颜色标定，通过线性回归方程Ⅱ得到其在光强为L₀+L的系数矩阵B，求得L₀+L光强下的灰度值与基于L₀光强下灰度值增加值之间的映射关系f2。

3.根据权利要求2所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，线性回归方程Ⅱ对应的矩阵方程Ⅳ，在入射光强为L₀+L时设备采集到的三个单通道图像的灰度值和代入矩阵方程Ⅳ所得的三个单通道的灰度值增加值的差值即得光强为L₀+L还原为光强为L₀时图像的灰度值。

4.根据权利要求3所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，所述线性回归方程Ⅰ的矩阵形式为矩阵方程Ⅲ，将还原为光强L₀所得到的灰度值代入矩阵方程Ⅲ计算可得图像真实颜色所对应的RGB三个单通道图像的灰度值，进而得到图像的真实颜色。

5.根据权利要求1所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，步骤S1中，采用项数为10的(x，xy，x²，1)回归模型进行标定，在标准光强L0的条件下，设第i个标准色块的颜色组合为R_0i、G_0i、B_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R_i、G_i、B_i，则线性回归方程Ⅰ满足，

其中，a_ij为回归方程的转换系数，v_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型；

线性回归方程Ⅰ对应的矩阵方程Ⅲ为：

X＝A^T·V (Ⅲ)

其中，X为3×I的标准色块三通道值矩阵，A为J×3的转换系数矩阵，V＝J×I的多项式回归矩阵，则，由最小二乘法求得矩阵A，A＝(V·V^T)^-1·(V·X^T)，即可计算出标准光强L₀下线性回归方程Ⅰ的系数矩阵A。

6.根据权利要求5所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，回归模型v_ij具体为{1，R_i，G_i，B_i，R_iG_i，R_iB_i，G_iB_i，R_i ²，G_i ²，B_i ²}。

7.根据权利要求5所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，在二次颜色标定的过程中，在入射光光强值为L₀+L时，设第i个标准色块的灰度增加值R'_0i、G'_0i、B'_0i，设备所采集到的第i个标准色块灰度图像的灰度值为R'_i、G'_i、B'_i，则线性回归方程Ⅱ满足：

其中，b_ij为回归方程的转换系数，w_ij(j＝1，2，3,...,J)(J＝10)为回归模型；通过线性回归方程Ⅱ计算出光强为L₀+L条件下，转换系数b_ij对应的系数矩阵B。

8.根据权利要求7所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，回归模型w_ij具体为{L，R'_i，G'_i，B'_i，R'_iG'_i，R'_iB'_i，G'_iB'_i，R'_i ²，G'_i ²，B'_i ²}。

9.根据权利要求7所述的三维扫描设备采集图像的颜色矫正方法，其特征在于，标准色块采集于24色标准比色板。

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