一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法技術

本發明專利技術提供一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法。通過對被測物的灰度直方圖進行分析，確定被測物的反射率分布以及各反射率所需的最佳曝光時間；使用多次曝光技術，按照各反射率所需的最佳曝光時間對被測物分別進行曝光，獲得被測物在不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像，然后將不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像進行融合，從而恢復被測物的三維形貌。本發明專利技術克服了傳統高動態范圍測量方法中存在的盲目性，提高了測量效率。

【技術實現步驟摘要】
一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法
本專利技術屬于光學測量
，具體涉一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法。
技術介紹
三維測量是現代精密測量的一個重要分支，它是通過使用精密的測量設備來獲取被測物表面的幾何坐標數據，從而得到被測物表面的三維信息。隨著3D打印技術的快速發展和普及，在逆向設計中如何實時獲取動態物體的三維數據已成為國內外工程
研究的熱點。傳統的三維測量方法通常采用三維坐標機來實現被測物幾何形貌的獲取。它的優勢在于測量精度高，且由于是接觸式的測量，這種測量方法不會受制于被測物表面的反射特性。但是，同樣是這種接觸式的測量特性，使得該方法并不適用于測量表面柔軟的物體。因為對柔軟表面的碰觸會容易改變物體表面原有的外形輪廓，從而不利于獲取物體表面真實的數據。而且，利用三維坐標機的測量方法需要逐點地對物體進行測量，測量速度緩慢，測量效率低。相比之下，基于光學技術的三維測量方法測量速度快，測量精度高，同時由于使用光照作為測量手段，避免了和物體的直接接觸，所以不會對物體表面造成任何影響。近年來，隨著數字投影技術的不斷發展，基于數字條紋投影的結構光三維測量技術以高分辨率、全視場、魯棒性好等優勢被廣泛應用于眾多領域，其中包括工業制造、在線檢測、文物保護和生物醫學等。然而，在實踐中發現，利用上述方法進行三維測量時仍面存在一些問題。其中最為常見的問題是，被測物表面動態范圍高，即物體表面既有反射率高的亮區域，也有反射率低的暗區域。通常亮區域由于反射的光信號充足，能得到較好的重建，而對于反射率低的暗區域，由于只有少量的光能被反射，所以很難進行恢復。目前，為了解決高動態范圍的問題，有人提出采用對被測物體進行多次曝光的方法來實現測量。這種方法通過延長對低反射區域的曝光來采集足夠的光信號。但是任然存在弊端，對于未知場景，通常無法在直接確定所需的曝光次數與每次曝光的時間，所以在測量初期具有一定的盲目性，測量效率不夠高。另外，還有人提出采用改變投影裝置的光強來解決這一問題。通過對低反射率區域投影更強的光來增加該區域反射的光。雖然這種方法也可以解決高動態范圍這一問題，但是改變投影裝置光強的操作較為麻煩，且和改變曝光做法一樣，光強改變的量以及光強改變的次數都是無法事先確定的，所以同樣使用起來不夠便捷。所以目前，能根據被測場景來自適應高動態范圍的光學測量方法仍較為缺乏。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，該方法克服了傳統高動態范圍測量方法中存在的盲目性，提高了測量效率。為了解決上述技術問題，本專利技術提供一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，通過對被測物的灰度直方圖進行分析，確定被測物的反射率分布以及各反射率所需的最佳曝光時間；使用多次曝光技術，按照各反射率所需的最佳曝光時間對被測物分別進行曝光，獲得被測物在不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像，然后將不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像進行融合，從而恢復被測物的三維形貌。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點在于：(1)本專利技術能自適應地判斷被測物所需的曝光次數與曝光時間，克服了傳統方法在確定曝光時間與曝光次數時存在的盲目性，提高了測量的效率；(2)本專利技術將白光投影到被測物后，通過分析此時的灰度直方圖，判斷場景中波峰與波谷位置，即場景所包含的反射率情況，對不同的反射率估計最佳的曝光時間，此時由于場景處于最佳的曝光，所以測量信噪比高，結果準確；(3)本專利技術相位算法是基于廣泛使用的N步相移算法，具有普遍適用的特性，可移植性強，具有很高的實用價值。附圖說明圖1是本專利技術流程圖。圖2是本專利技術實驗中所用被測場景被投影白光后的圖像。圖3是本專利技術實驗中取得的圖2的灰度直方圖。圖4是本專利技術實驗中圖像融合示意圖。圖5是本專利技術實驗生成的三維模型正視圖。圖6是本專利技術實驗生成的三維模型側視圖。具體實施方式本專利技術一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，通過對被測物的灰度直方圖進行分析，確定被測物的反射率分布以及各反射率所需的最佳曝光時間；使用多次曝光技術，按照各反射率所需的最佳曝光時間對被測物分別進行曝光，獲得被測物在不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像，然后將不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像進行融合，從而恢復被測物的三維形貌。如圖1所示，具體步驟如下：步驟一：使用投影裝置向被測物投影均勻白光，然后使用攝像機拍攝被測物獲得圖像I0，同時記錄拍攝幅圖像I0時所使用的曝光時間t0；計算圖像I0的灰度直方圖；在灰度直方圖中，用橫軸表示圖像I0的光強，用縱軸表示該光強對應的像素點個數。由于向被測物投影的為均勻白光，所以圖像I0的像素灰度值就直接正比于被測物體上被測點的反射率，進而使用用灰度直方圖就可直接推斷出被測物表面反射率的分布；步驟二：在灰度直方圖中定位出每個波峰，并在每個波峰的右側尋找與該波峰相臨最近的波谷，并記錄該波谷的橫坐標。由于灰度直方圖反應了物體表面反射率分布，所以灰度直方圖中每個波形就代表了物體表面反射率的一部分變化范圍，由于每個變化范圍可用一個曝光時間來滿足，所以直方圖中波形的數量直接決定了整個測量所需的曝光次數，且針對每個波形，取波峰右側最近的波谷位置就可計算該反射率區域對應的最佳曝光時間。在本步驟中，可以使用求函數極值的方法求出灰度直方圖中包含的波峰。同時，用I0i表示找到的第i個波谷的橫坐標。步驟三：確定被測物所需的曝光次數和最佳曝光時間。曝光次數由確定的波谷數量來決定，所以當灰度直方圖中確定了m個波谷，那么所需的曝光次數就為m。然后，計算每個波谷所需的最佳曝光時間，計算方法如公式(1)所示，公式(1)中，為第i個波谷所需的最佳曝光時間(i＝1,2,3...m)，B為攝像機單個像素用來存儲光強時所使用的比特數，通常B的取值為8；步驟四：使用多曝光技術結合N步相移技術拍攝被測物，并進行圖像融合，具體為：首先，將生成的N幅相移光柵圖像依次投影至被測物，當所需曝光次數為n時，在n個不同的曝光時間下，對每一幅被被測物表面輪廓調制過的相移光柵圖像均進行拍攝，共采集N*n幅相移光柵圖像，即在不同的n個的曝光時間下，都拍攝了N幅相移光柵圖像。這N*n幅相移光柵圖像是在不同曝光時間下拍攝的具有相同相移的光柵圖像。所述生成的N幅相移光柵圖像的光強分布如公式(2)所示，公式(2)中，n為相移引索值(n＝1,2,…N)，N為總共的相移次數,φ(x,y)為相位值，A(x,y)為平均光強，B(x,y)為相位調制度。然后，為了融合在不同曝光時間下拍攝的具有相同相移的光柵圖像，首先生成圖像榮融合所需的模板圖像，生成方法如公式(3)所示，公式(3)中，Mi(x,y)為第i幅模板圖像，(x,y)為模板圖像的像素坐標。然后利用生成的模板，進行圖像融合，融合方法如公式(4)所示，公式(4)中，I′為具有相同相移的融合后光柵圖像，為在第i個曝光時間下拍攝得到的相移光柵圖像。重復利用該公式，生成所有相移的光柵融合圖像。即獲得融合后的N幅相移光柵圖像。步驟五：相位恢復與三維模型重建。得到了融合后的N幅相移光柵圖像后，進行相位求解以及三維模型重建。本專利技術使用文獻“Automaticidentificationandremovalofoutliersforhig本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，其特征在于，通過對被測物的灰度直方圖進行分析，確定被測物的反射率分布以及各反射率所需的最佳曝光時間；使用多次曝光技術，按照各反射率所需的最佳曝光時間對被測物分別進行曝光，獲得被測物在不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像，然后將不同的最佳曝光時間下拍攝的圖像進行融合，從而恢復被測物的三維形貌。

【技術特征摘要】
1.一種基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一：使用投影裝置向被測物投影均勻白光，然后使用攝像機拍攝被測物獲得圖像I0，同時記錄拍攝圖像I0時所使用的曝光時間t0；計算圖像I0的灰度直方圖；步驟二：在灰度直方圖中定位出每個波峰，并在每個波峰的右側尋找與該波峰相鄰最近的波谷，并記錄該波谷的橫坐標；步驟三：統計步驟二獲得的波谷的個數m，將m作為曝光次數，用公式(1)所示方法計算每個波谷所需的最佳曝光時間，公式(1)中，為第i個波谷所需的最佳曝光時間(i＝1,2,3...m)；用I0i為找到的第i個波谷的橫坐標；B為攝像機單個像素用來存儲光強時所使用的比特數；步驟四：使用多曝光技術結合N步相移技術拍攝被測物，獲得N*n幅相移光柵圖像，然后將N*n幅相移光柵圖像進行圖像融合，獲得融合后的N幅相移光柵圖像；步驟五：使用融合后的N幅相移光柵圖像進行相位求解并重建被測物三維模型。2.如權利要求1所述的基于灰度直方圖的自適應高動態范圍三維測量方法，其特征在于，所述步驟四中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳錢，馮世杰，顧國華，左超，孫佳嵩，喻士領，胡巖，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32