编码结构光系统中的光学传递模型测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种编码结构光系统光学传递模型测量方法,针对条纹编码结构光系统，实现对该光电系统的光学传递建模。本发明首先从理论上完成结构光系统的光学传递建模，根据条纹编码光图像的特征设计相应的测量图例，利用投射的刀口靶，采用刀口法完成系统的线扩散函数的测量，再对其进行傅里叶变换得到编码结构光系统的光学传递模型。本发明所建立的光学传递模型，用于指导编码结构光的设计、提高测量精度、扩大对不同反射表面物体测量的适用性等，提高结构光系统的性能，扩大结构光技术的应用范围。
【专利说明】编码结构光系统中的光学传递模型测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学传递模型的测量系统，特别应用于编码结构光系统中的光学传递模型测量方法和系统。
【背景技术】
[0002]随着当今电子技术、计算机技术的发展，三维技术被广泛应用到人们生活和国民生产的方方面面，如3D动画、3D游戏、3D电视、3DWeb、逆向工程、机器人导航、工业自动化生
产等领域。
[0003]编码结构光技术作为一种视觉三维信息获取方法，具有无损、数据量大、操作便捷、易实现等优点被广泛应用。结构光法自上世纪70年代出现以来，经历了从点、线、面的发展过程。面编码结构光法则被认为是传统的结构光技术革命性的进步，有很多国内外研究院所和公司开展相关的技术和应用开发工作。
[0004]国外斯坦福大学、奥克兰大学、麻省理工学院、纽约大学(石溪分校)等著名学府的实验室，以及福特公司等大型制造企业所属的研究机构也在从事相关研究。国内有华中科技大学李德华教授于1997年建立了我国第一台三维激光彩色扫描仪；浙江大学人工智能研究所从1997年开始从事文化遗产数字化相关工作，在数字化获取、数字化展示及数字化保护等方面开展了大量的工作，研制了用于文物数字化获取的结构光三维扫描仪及配套软件设备，三维扫描精度可达0.2mm ;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室在叶声华院士带领下，将结构光视觉技术应用到现代工业质量在线检测系统中，如汽车车身尺寸在线检测、二维表面型貌在线测量等，其中叶声华院士主持的“白车身激光视觉检测系统”项目分别于1997年和2000年获国家教委科技进步二等奖和江苏省科技进步二等奖、2011年邾继贵教授主持的“柔性在线自动测量方法、技术及应用”项目获国家技术发明二等奖；北京航空航天大学张广军教授侧重研究结构光法在工业生产领域上的应用，建立了三维激光视觉在线测量系统，能够对工件的三维表面形貌、几何尺寸及工件的空间位置进行非接触快速在线测量；哈尔滨理工大学于晓洋教授在结构光技术中编码光设计、条纹边缘亚像素提取、表面颜色渲染等方面进行了深入地研究；四川大学苏显渝教授主要研究基于相位测量轮廓术PMP (Phase Measurement Profilomerty)、傅里叶变换轮廓术FTP(Fourier Transform Profilmetry)和调制度测量轮廓术 MMP (Modulation MeasurementProfilometry)的结构光系统。其中，2004年苏显渝教授主持的“结构照明型三维成像仪器及关键技术研究”获得国家技术发明奖二等奖。苏显渝教授着重研究了各种静态和动态过程的三维表面数据获取，如对水下物体，非球面镜物体、高速旋转叶片等情况下的三维信息获取。
[0005]但结构光系统自身的技术瓶颈问题阻碍了该技术的普及和三维信息化的发展，如测量精度不能满足一些高精度测量要求、测量速度不能满足实际应用中运动物体对系统实时性的要求，采样密度不足，测量过程受限于被测物体表面的反射特性等。三维数据获取精度、动态响应速度、适用范围、采样密度作为编码结构光系统的主要性能指标是相互影响和相互制约的。提高这些性能指标，减少它们之间的制约关系是当今结构光技术研究的关键。
[0006]针对这些问题，常用的提高系统三维数据获取精度的方法有提高硬件设备的精度(如CCD和投影仪像素成像精度、尺寸等)、提高标定样本精度、改进测量模型和标定方法、采用亚像素条纹提取方法、系统构成的结构优化或采用各种误差补偿方法等。这些提高精度的方法主要是通过提高系统成本或提高几何建模精度来实现。大多数的改进方法是从一个方面，或牺牲其他性能的方式，缺少从整体角度上分析系统性能的影响因素和相应的解决方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是从研究编码结构光系统的光信息传递机理出发，将信息传输理论应用于分析编码结构光系统的三维信息获取过程，从信息建模角度上建立其光学传递模型，用于指导编码结构光的设计、提高测量精度、扩大对不同反射表面物体测量的适用性。
[0008]本发明的技术方案:用线性和不变系统描述编码结构光系统的光学传递过程，建立该系统的光学传递模型，其中对光学系统传递模型的测量步骤包括:
[0009](I)理论建立结构光系统的光学传递模型:用线性和不变系统描述编码结构光系统的光学传递过程，完成其光学传递建模；
[0010](2)设计测量图例:结合编码光特征和基于图像分析光学传递函数的测量要求，设计相应的测量图例；
[0011](3)确定结构光系统的缩放系数:根据结构光系统光学传递过程，计算出该系统的缩放系数；
[0012](4)确定背景噪声:借助投射全黑图像，确定其背景噪声；
[0013](5)测量点扩散函数:根据结构光系统成像特点，采用刀口测量法计算出该系统的光学传递函数，并进行多高斯函数拟合；
[0014](6)计算光学传递模型:对以上获得的点扩散函数进行快速傅里叶变换，求得归一化调制传递函数，即为结构光系统的光学传递模型。
[0015]步骤(I)结构光系统建模，是借助缩放过程建立的线性和不变模型:结构光系统中的光学传递模型包括两部分:投影设备投射模型和光电成像系统的成像模型。
[0016]投影设备投射模型是指:在不考虑深度信息对投射模型的影响，投射过程简化为线性放大和尺度变换过程:
[0017]f (X，y) = kp (am, bn)
[0018]其中，f(x，y)为投射后的目标物图像；p(m，n)为投影图冰为投射过程中的灰度传递系数，与投影设备的光照亮度、对比度等参数有关；a和b为投射过程中的尺度变换系数，与投影距离、投影焦距等参数有关；光电成像过程由点扩散函数PSF(x，y)描述，其传递函数由0TF(u，v)来表示；结构光系统的光传递过程表示为
[0019]f (X，y) *PSF (x, y) = g (x, y)。
[0020]由于测量环境背景光照和投影仪暗态透过率的存在，两部分叠加在一起就会在CCD像面上形成一个均匀的背景噪声，用n(x，y)来表示；因此，结构光系统的光学传递模型可以表示为
[0021 ] f (X，y) *PSF (x, y) +n (x, y) = g (χ, y)[0022]或
[0023]F (u, V).0TF (u, v) +N (u, v) = G (u, v)
[0024]其中，F(u，v)为投影像f (x，y)的傅里叶变换，称为物频谱；0TF(u，v)为光电成像系统的光学传递函数；N(u，V)为背景噪声n(x，y)的傅里叶变换，G(u, v)为目标像g(x，y)的傅里叶变换，称为像频谱；
[0025]若把投影像P (m, η)经过尺度变换到为p (x, y)，该系统可用线性和不变系统来描述，其光学传递模型表示为:
[0026]P (X，y) *h (x, y) +n (x, y) = g (χ, y)
[0027]频谱分析为
[0028]P (u, V).H (u, V) +N (u, ν) = G (u, ν)
[0029]其中，H(u，ν)即为结构光系统的光学传递函数。
[0030]步骤(5)中线扩散函数的测量算法步骤如下:
[0031]a图像预处理，多幅同场景图像相加，去除随机噪声；
[0032]b对刀口图像g (X，y)进行卷积差分计算；
[0033]对每一行图像数据进行卷积差分，通过对刀口图像的卷积运算得到刀口边缘图像t (χ, y):
【权利要求】
1.编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:用线性和不变系统描述编码结构光系统的光学传递过程，建立该系统的光学传递模型，其中对光学系统传递模型的测量步骤包括: (1)理论建立结构光系统的光学传递模型:用线性和不变系统描述编码结构光系统的光学传递过程，完成其光学传递建模； (2)设计测量图例:结合编码光特征和基于图像分析光学传递函数的测量要求，设计相应的测量图例； (3)确定结构光系统的缩放系数:根据结构光系统光学传递过程，计算出该系统的缩放系数； (4)确定背景噪声:借助投射全黑图像，确定其背景噪声； (5)测量点扩散函数:根据结构光系统成像特点，采用刀口测量法计算出该系统的光学传递函数，并进行多高斯函数拟合； (6)计算光学传递模型:对以上获得的点扩散函数进行快速傅里叶变换，求得归一化调制传递函数，即为结构光系统的光学传递模型。
2.根据权利要求1所述的编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:步骤(1)结构光系统建模，是借助缩放过程建立的线性和不变模型:结构光系统中的光学传递模型包括两部分:投影设备投射模型和光电成像系统的成像模型。
3.根据权利要求2所述的编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:投影设备投射模型是指:在不考虑深度信息对投射模型的影响，投射过程简化为线性放大和尺度变换过程:
f (X，y) = kp (am, bn) 其中，f(x，y)为投射后的目标物图像；P(m，η)为投影图；k为投射过程中的灰度传递系数，与投影设备的光照亮度、对比度等参数有关；a和b为投射过程中的尺度变换系数，与投影距离、投影焦距等参数有关； 光电成像过程由点扩散函数PSF(X，y)描述，其传递函数由OTF(u，v)来表示；结构光系统的光传递过程表示为
f (X，y) *PSF (X，y) = g (x, y)。
4.根据权利要求3所述的编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:由于测量环境背景光照和投影仪暗态透过率的存在，两部分叠加在一起就会在CCD像面上形成一个均匀的背景噪声，用n (x, y)来表示；因此，结构光系统的光学传递模型可以表示为
f (X，y) *PSF (X，y) +n (x, y) = g (x, y) 或
F (u, v).0TF (u, v) +N (u, v) = G (u, v) 其中，F(u，v)为投影像f(x，y)的傅里叶变换，称为物频谱；OTF(u，v)为光电成像系统的光学传递函数；N (U，V)为背景噪声n(x，y)的傅里叶变换，G (u，v)为目标像g(x，y)的傅里叶变换，称为像频谱； 若把投影像P (m, η)经过尺度变换到为P (x, y)，该系统可用线性和不变系统来描述，其光学传递模型表示为:P (X，y) *h (X，y) +n (X，y) = g (x, y) 频谱分析为
P (u, V).H (u, V) +N (u, V) = G (u, v) 其中，H(u，v)即为结构光系统的光学传递函数。
5.根据权利要求1所述的编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:步骤(5)中线扩散函数的测量算法步骤如下: a.图像预处理，多幅同场景图像相加，去除随机噪声； b.对刀口图像g(x，y)进行卷积差分计算； 对每一行图像数据进行卷积差分，通过对刀口图像的卷积运算得到刀口边缘图像t (X，y):
6.根据权利要求5所述的编码结构光系统中的光学传递模型测量方法，其特征在于:在步骤c中，通过观察刀口边缘像素的灰度分布得到，同一刀口边缘图像中灰度对称分布的像素周期性的出现，其相隔的列数m满足1/m=tgβ 其中β为刀口边缘的微倾斜角； 对刀口边缘图像每行数据进行排序，如果最大值位于i像素，且t (1-l, j) =t (i+1, j)为次大值，则该像素即为刀口边缘图像中灰度对称分布像素点。搜索出所有的灰度对称分布像素进行最小二乘直线拟合，计算出刀口边缘的微倾斜角。
【文档编号】G01B11/00GK103913293SQ201410089975
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】许丽 申请人:华北水利水电大学