一种自适应条纹亮度的高动态范围三维形貌测量方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于光学三维测量领域，具体涉及一种应用面结构光自适应调节投射条纹 图案亮度实现高动态范围三维形貌测量方法，可用于金属等光亮表面或表面反射率变化较 大的物体的三维形貌测量。
【背景技术】
[0002] 基于面结构光的条纹投影技术以非接触、全场扫描、精度高、测量速度快等优势广 泛应用于三维形貌测量领域，包括产品质量检测、逆向工程、文物保护、生物医学等。但是， 这种技术在应用中仍然存在一些问题，比如要求测量时环境光照限制在一定范围内，被测 对象必须是漫反射表面，且表面反射率变化范围不大。然而，工业生产中有大量工件以铣削 加工为主，经过加工处理后工件的表面会变得十分光亮，若直接对这种光亮表面进行测量， 则镜面反射之后的光会太强，以致相机图像传感器饱和，丢失条纹图案图像高光区域的条 纹信息，难以正常进行测量;另一方面，由于相机的动态范围有限，对于反射率较低的区域， 则会造成条纹过暗，大幅降低测量精度。
[0003] 针对这一问题，国内外学者提出了不同的解决方法。传统的方法一种是改为采用 接触式测量，如用三坐标测量机，其测量精度高，但需要逐点进行测量，测量速度较慢;另一 种方法是在被测对象表面喷涂薄薄的抗反射涂层来改变表面的反射性质，使其变为漫反射 表面，然后再进行测量。这种方法需要喷涂和清洗涂层，降低了测量效率;另外，涂层的厚度 和均匀程度取决于操作者或工作人员的经验和技能，也容易带来测量误差。
[0004] 针对强反射表面三维形貌测量，专利CN101694375A公开了一种将亮暗条纹投射与 多曝光时间采集图像相结合以合成高动态范围条纹图案图像的方法，能够实现金属等强反 射表面三维形貌测量。但这种采用多次曝光的技术对于未知场景，通常无法在测量初期直 接确定所需的曝光次数与每次曝光的时间，一般依赖于经验或尽可能曝光多次，具有一定 的盲目性，测量效率不高。专利CN104019767A公开了一种利用灰度直方图来估算被测对象 所需的曝光次数和最佳曝光时间的方法，据此对被测对象分别进行曝光，并获得在不同的 最佳曝光时间下拍摄的图像，然后将不同的最佳曝光时间下拍摄的图像进行融合，从而恢 复被测对象的三维形貌。由于灰度直方图只是大致反映图像中每种灰度出现的频率，以此 来整体估算被测对象所需的曝光次数和最佳曝光时间，对于有些离散的像素点则可能出现 遗漏。专利CN103868472A公开了一种用于高反射率零件的面结构光三维测量装置与方法。 与一般的条纹投影技术直接采用数字投影仪不同，其设计了一个条纹图案生成系统，投射 条纹亮度可以随意调节以适应各种反光零件表面的测量。这种装置结构复杂，且条纹亮度 不能根据被测对象自适应调节。所以，目前在高动态范围三维形貌测量方面还没有一个较 为完备的解决方法，能够根据被测对象进行自适应测量的方法较为缺乏。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种应用面结构光自适应调节投射条纹图案亮度实现高动态范 围三维形貌测量方法。该方法通过分析相机采集的均匀光图像序列，逐像素自动调节投射 条纹图案的亮度，克服被测对象表面反射率变化较大引起的高光和黑暗，获得清晰的条纹 图案图像，从而恢复被测对象的三维形貌。
[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种自适应条纹亮度的高动态范围三维形貌测量方法，采用普通的数字投影仪， 简便、快速、准确，能够根据相机采集的均匀光图像序列，逐像素自动调节投射条纹图案的 亮度，对于反射率较高的区域，降低投射的亮度，去除条纹图案图像的高光;另一方面，对于 反射率较低的黑暗区域，提高投射的亮度，以获得清晰的条纹图案图像，从而恢复被测对象 的三维形貌。
[0008] 优选的，一种自适应条纹亮度的高动态范围三维形貌测量方法，包括以下步骤：
[0009] 1)、在投射扫描条纹图案前，首先投射亮度不同的均匀光序列碭、、.…@，相 机采用不同的增益ki、k2、. . .、kn和曝光量ti、t2、. . .、tn采集均勾光图像序列Ii、l2、. . .、In， 求解最佳的条纹图案图像灰度值，并根据该图像序列计算各个像素点的表面反射率、环境 光和表面互反射光强；
[0010] 2)、根据投影仪-相机响应函数，计算条纹图案各个像素的最佳投射灰度值，像素 坐标为相机图像坐标；
[0011] 3)、通过相机-投影仪图像坐标映射函数，把上述像素坐标映射为投影仪图像坐 标；
[0012] 4)、根据上述计算得到的投影仪像素坐标、最佳投射灰度值投射条纹图案，进行扫 描操作；
[0013] 5)、将扫描得到的条纹图案图像进行相位解算和表面重建，恢复被测对象的三维 形貌；
[0014] 优选的，步骤1)中，有效的均匀光图像序列像素点计算方法如公式（1)所示，（x，y) 为相机图像坐标；
[0015]
⑴
[0016]有效的均匀光序列为：
[0017]
(2)
[0018] 相机采集的最佳的条纹图案图像灰度值为：
[0019]
(3)
[0020] 计算各个像素点的表面反射率、环境光和表面互反射光强
如公式(4)所示，其中，La(x，y)表示环境光照直接在相机图像 传感器上形成的光强，Ηχ，7)Ι/(Χ，7)表示来自环境光照和被测对象的其它面片通过互反 射形成的光经过某个面片反射的光强，如图2所示；
[0021]
[0022] 步骤2)中，条纹图案各个像素点的最佳投射灰度值Lp(x，y)计算方法如公式(5)所 示；
[0023]
[0024] 步骤3)中，将上述所求的最佳投射灰度值Lp(x，y)映射为投影仪图像坐标(u，v)， 根据结构光测量系统标定得到的单应性矩阵H，构建相机-投影仪图像坐标映射函数；
[0025]
(6)
[0026] s为比例因子，根据公式(6)映射之后的条纹图案最佳投射灰度值为Lp(u，v)，i^Pv 为投影仪图像坐标。
[0027]本发明的有益效果：
[0028] (1)本发明能够根据被测对象和环境光照等因素自动调节条纹图案各像素的投射 亮度，与采用多次曝光的技术相比，测量效率较高；
[0029] (2)本发明通过分析均匀光图像序列计算得到各像素点的表面反射率、环境光和 表面互反射光强，量化准确，保证了测量的高精度；
[0030] (3)无需添加额外硬件，实现成本低，方法简便、快速、准确。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明的测量方法流程图；
[0032]图2是相机成像示意图；
[0033] 图3是采用一般的条纹投影技术相机采集的全亮图像，位置A和B为高光区域，即被 测对象表面反射率较大的区域；
[0034] 图4是采用本发明的测量方法相机采集的全亮图像，对应图3位置A和B的高光已被 去除；
[0035]图5是采用一般的条纹投影技术相机采集的条纹图案图像，对应图3位置A和B的高 光导致相机图像传感器饱和，丢失条纹信息；
[0036] 图6为采用本发明的测量方法相机采集的条纹图案图像，对应图3位置A和B的条纹 清晰明确。
【具体实施方式】