一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。不同于以往把N張光柵圖片中有效灰度值和無效灰度值直接代入標(biāo)準(zhǔn)N步相移公式求解相位，該方法首先剔除無效像素點(diǎn)和無效灰度值，直接使用有效像素點(diǎn)處有效灰度值，根據(jù)有效灰度值建立線性方程組，使用最小二乘法求解方程組最優(yōu)解，依據(jù)最優(yōu)解解出高精度相位值，從而快速恢復(fù)高光物體表面的相位值。該方法步驟簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，隨機(jī)誤差抑制性好，不需要額外的硬件設(shè)施，不需要調(diào)整CCD相機(jī)光圈、曝光時(shí)間，不需要對(duì)高光物體表面進(jìn)行處理，省時(shí)快捷，能夠保證高光物體表面的測(cè)量精度，測(cè)量準(zhǔn)確性高。
【專利說明】一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)三維測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域，涉及到結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量中金屬等高光物體表面相位快速獲取方法，該方法能夠快速恢復(fù)高光物體表面高精度相位值，具體為一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]投影柵相位法是一種基于結(jié)構(gòu)光的非接觸式全場(chǎng)三維測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品表面三維形貌測(cè)量、逆向工程和質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域；主要通過投射正弦結(jié)構(gòu)光給物體表面附加相位信息，再由獲取到的相位信息映射物體表面的高度信息，測(cè)量步驟包括數(shù)字光柵投影、條紋圖像獲取、相位恢復(fù)及展開、物體深度信息獲取和三維復(fù)原等。
[0003]使用投影柵相位法計(jì)算相位值要求物體表面亮而不反光，然而對(duì)于高光零件，物體表面反射率高，高光強(qiáng)反射表面的反射光亮度范圍與相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍不一致，并且相機(jī)量化等級(jí)一般為256灰度等級(jí)(8bits)，導(dǎo)致相機(jī)采集到的條紋圖像出現(xiàn)飽和(參見圖2)，產(chǎn)生信息失真，直接把飽和亮度值代入相位求解公式，將出現(xiàn)較大的波動(dòng)誤差(參見圖3)，相位圖出現(xiàn)很多雜點(diǎn)，而且飽和越嚴(yán)重誤差越大，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的相位值，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。
[0004]針對(duì)這一光學(xué)非接觸測(cè)量的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方案。這些的方法一定程度上減輕了高光物體表面的相位誤差，但是也存在很多缺點(diǎn)。如根據(jù)物體表面在不同角度下反光區(qū)域不盡相同的特點(diǎn)，避開高光或強(qiáng)反光區(qū)域，進(jìn)行多角度局部測(cè)量，再整體拼接成完整被測(cè)表面；也有學(xué)者耗費(fèi)大量時(shí)間找到高光及二次反光區(qū)域，通過掩膜圖像把反光區(qū)域掩蓋起來，多區(qū)域分別測(cè)量，最后進(jìn)行點(diǎn)云拼接。上述兩種方法存在復(fù)雜的拼接問題，而且在整體拼接過程中會(huì)引入誤差，影響測(cè)量精度。由于高光表面無法完整測(cè)量，也有學(xué)者采用了多次曝光和圖像融合技術(shù)結(jié)合的方法，從每次曝光中選擇高質(zhì)量像素解相，將每次曝光選擇的結(jié)果拼合成一張完整的相位圖，測(cè)量過程中用到的曝光時(shí)間越多測(cè)量結(jié)果越好。例如北京航空航天大學(xué)申請(qǐng)的專利“一種用于強(qiáng)反射表面三維形貌測(cè)量的立體視覺檢測(cè)方法，申請(qǐng)?zhí)?200910236214.8”使用了這種方法，但是多次曝光拍攝需要耗費(fèi)大量時(shí)間，無法滿足實(shí)時(shí)性要求，而且每次曝光時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)的量化誤差也不同，另外光圈太小會(huì)導(dǎo)致圖像的有效量化等級(jí)降低，最后的相位圖是由不同量化誤差等級(jí)的結(jié)果融合而成，測(cè)量精度會(huì)受到影響。另外，也有人提出采用向具有強(qiáng)反光表面噴涂某種粉末使被測(cè)物體呈現(xiàn)漫反射特性，以利于光學(xué)三維測(cè)量，但是粉末不均勻增加了測(cè)量誤差，在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)化控制加工中，這種方法的實(shí)現(xiàn)也很困難，很多物體，如服裝業(yè)、藝術(shù)雕塑、文物等在三維形貌恢復(fù)時(shí)不允許對(duì)其表面進(jìn)行處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]針對(duì)上述問題本發(fā)明提出一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，快速準(zhǔn)確地獲取高光物體表面高精度相位信息。
[0007]技術(shù)方案
[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法。該方法依照高光物體表面飽和特性，剔除N張光柵圖片中的無效像素點(diǎn)和無效灰度值，確定要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)及有效灰度值，根據(jù)N張光柵圖片中有效灰度值建立的線性方程組，使用最小二乘法求解線性方程組最優(yōu)解，根據(jù)最優(yōu)解求出高精度相位值，從而恢復(fù)高光物體表面高精度的相位值。該方法精度高、魯棒性強(qiáng)，隨機(jī)誤差抑制性好，步驟簡(jiǎn)單，省時(shí)快捷，能夠快速的恢復(fù)高光物體表面的相位信息。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0010]所述一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，其特征在于:采用以下步驟:
[0011]步驟1:基于投影柵相位法投射N張正弦光柵到被測(cè)物體表面，進(jìn)而采集得到N張光柵圖片，采用以下步驟確定光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn):
[0012]步驟1.1:對(duì)于像素坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)，依據(jù)其在N張光柵圖片中的灰度值，統(tǒng)計(jì)該像素點(diǎn)處于區(qū)間[0，255)內(nèi)的灰度值對(duì)應(yīng)的光柵圖片的張數(shù)m，若m滿足3 N，則該像素點(diǎn)為初步有效像素點(diǎn)；
[0013]步驟1.2:針對(duì)初步有效像素點(diǎn)在步驟1.1所述m張光柵圖片中的灰度值，若共計(jì)m-Ι個(gè)相鄰灰度值的相移量只等于δ或δ-2 Ji，則該初步有效像素點(diǎn)為有效像素點(diǎn)；其中δ =2 /N ；
[0014]步驟1.3:重復(fù)步驟1.1至步驟1.3，對(duì)所有像素點(diǎn)進(jìn)行判斷，得到光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)；
[0015]步驟2:對(duì)于像素坐標(biāo)為(x，y)的有效像素點(diǎn),用有效像素點(diǎn)的m個(gè)有效灰度值建立求解相位值的線性方程組:將該有效像素點(diǎn)的m個(gè)有效灰度值代入以下方程....2π(η -1) , 、 2π(η - 1.) ,、
【權(quán)利要求】
1.一種基于最小二乘法的高光物體表面相位快速恢復(fù)方法，其特征在于:采用以下 步驟: 步驟1:基于投影柵相位法投射N張正弦光柵到被測(cè)物體表面，進(jìn)而采集得到N張光柵圖片，采用以下步驟確定光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn): 步驟1.1:對(duì)于像素坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)，依據(jù)其在N張光柵圖片中的灰度值，統(tǒng)計(jì)該像素點(diǎn)處于區(qū)間[O，255)內(nèi)的灰度值對(duì)應(yīng)的光柵圖片的張數(shù)m，若m滿足3N，則該像素點(diǎn)為初步有效像素點(diǎn)； 步驟1.2:針對(duì)初步有效像素點(diǎn)在步驟1.1所述m張光柵圖片中的灰度值，若共計(jì)m-Ι個(gè)相鄰灰度值的相移量只等于δ或δ-2 Ji，則該初步有效像素點(diǎn)為有效像素點(diǎn)；其中δ =2 /N ； 步驟1.3:重復(fù)步驟1.1至步驟1.3，對(duì)所有像素點(diǎn)進(jìn)行判斷，得到光柵圖片中要參與相位計(jì)算的有效像素點(diǎn)； 步驟2:對(duì)于像素坐標(biāo)為(x，y)的有效像素點(diǎn),用有效像素點(diǎn)的m個(gè)有效灰度值建立求解相位值的線性方程組:將該有效像素點(diǎn)的m個(gè)有效灰度值代入以下方程
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK103925889SQ201410129051
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】聶寇準(zhǔn), 常智勇, 盧津, 孫博洋, 江奔 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)