一種提取物體三維表面輪廓的方法
2023-05-27 13:36:16
專利名稱：一種提取物體三維表面輪廓的方法
技術領域：
本發明涉及一種提取物體表面三維數據的方法，特別是關於一種在簡易成像系統上提取物體三維表面輪廓的方法。
背景技術：
在質量控制、機器視覺、醫學成像等技術領域，許多具體應用都是基於提取物體的三維表面輪廓進行的。現有技術中提取物體三維表面輪廓的光學方法有基於雷射的方法、雲紋法、幹涉法、攝影測量法和結構光法等，通過上述方法雖然可以獲得高精度的表面輪廓，但是上述這些方法都需要使用投影儀或其他特定設備來提取三維表面輪廓，這樣不僅增加了整個系統的複雜性，而且也提高了成本。
現有技術中還可以利用剪影或可見光圖像，準確、全角度地提取物體三維表面輪廓，利用這兩種方法無需使用投影儀等額外設備，極大地簡化了成像系統，降低了成本。利用剪影獲取物體表面輪廓的方法採用了視覺外形技術作為核心算法，但是視覺外形技術較為複雜，實現起來較為困難；利用可見光圖像獲取物體表面輪廓的方法主要是採用若當變換(Radon Transform)為核心算法,此類算法易於實現,但是會產生以下問題1、此類算法要求所有的像素點全部參與反投影運算，因此提取物體三維表面輪廓的速度非常慢；2、此類算法所採用的平行束反投影的方法與實際透鏡成像情況不符。而且，在提取可見光圖像中物體的邊界時，現有技術採用二值化算法，此算法難以準確地找到物體邊界，導致後續的輪廓提取產生誤差。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠在簡易成像系統上快速、準確且全角度地提取物體三維表面輪廓的方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種提取物體三維表面輪廓的方法，其包括以下步驟1)設置一包括有一 (XD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉臺和一計算機的成像系統，所述轉臺中設置有控制器；2)將從成像系統中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區域的物體邊界；3)根據待處理圖像的大小得到物體的各個斷層圖像，並在各個斷層圖像上提取該層的表面輪廓，其包括以下步驟①在成像系統中定義旋轉坐標系和拍攝坐標系；②選取待處理圖像的某一層，計算該層圖像上提取的物體邊界距離圖像中心線的距離；③進行坐標變換，即計算物體在各個成像角度時鏡頭光心在旋轉坐標系中的坐標，以及所有待處理圖像中物體邊界在旋轉坐標系中的坐標；④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像；⑤通過步驟④在得到該層的邊界反投影圖像基礎上提取物體此層的邊界點坐標；⑥利用濾波器對步驟⑤所得到的表面輪廓進行平滑處理；⑦對待處理圖像的每一層重複步驟① ⑥，得到物體各個斷層的表面輪廓；4)將通過步驟3)所得的物體各個斷層的表面輪廓合併起來，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序將邊界點按照搜索角度有序排列連接起來。
所述步驟2)包括以下步驟①依次從成像系統中讀取物體圖像並將其存儲成圖像序列，根據所需要提取物體表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍後得到待處理圖像，其中O < s < I ;②從待處理圖像中任意選取一幅圖像，通過手動選擇需要提取物體三維輪廓的區域；③對每一幅待處理圖像在選定區域利用水平集算法提取物體選定區域的邊界。所述步驟3)中③進行坐標變換包括以下步驟①計算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標系中的坐標；②通過坐標變換公式將拍攝坐標系中物體邊界的坐標換算到旋轉坐標系中。所述步驟3)中④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像的具體過 程為利用物體邊界坐標和鏡頭光心坐標確定一條反投影線，將所有待處理圖像的所有邊界的反投影線全部確定後，得到物體在某一層的邊界反投影圖像，所述反投影線與光線實際傳播路徑方向相反。所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用先提取最大連通區域，再逐角度搜索的方法。所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用直接逐角度搜索方法。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於採用了基於物體邊界反投影的方法，僅僅反投影位於物體邊界上的像素點，極大地減少了參與反投影運算的數據量，因此成倍地加快了輪廓提取的速度。2、本發明由於利用水平集方法取代二值化方法實現對物體邊界的提取，在參數選擇合適的情況下，能夠自動識別物體邊界，即使是在光照不均勻的情況也能夠較好對物體的邊界進行準確提取，有效地減小了對物體表面輪廓提取的誤差。3、本發明由於採用非平行束反投影的方法，更加符合透鏡成像的物理規律。4、本發明對從成像系統中得到圖像進行縮小處理，如果對將要提取的物體表面輪廓的精度要求不高，就可以通過將圖像縮小減少運算時間，進一步加快提取表面輪廓的速度。本發明可以廣泛應用於快速獲取物體三維表面輪廓中。
圖I是本發明成像系統結構示意圖；圖2是本發明提取物體三維表面輪廓方法流程示意圖；圖3是本發明坐標系統不意圖；圖4是本發明利用非平行束反投影獲取斷層圖像示意圖；圖5是本發明邊界反投影圖像狀態效果示意圖；圖6是本發明表面輪廓提取示意圖；圖7是本發明提取物體表面三維結果灰度效果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖I所示，本發明的三維表面簡易成像系統包括一封裝在盒子中的(XD(電荷耦合器件)1，裝有CCDl的盒子前端旋設有一鏡頭2，鏡頭2的兩側設置有拍攝物體時供照明的兩光源3、4，兩光源3、4可以根據實際需要選用白光或單色光，鏡頭2正前方設置有一放置待成像物體的轉臺5，轉臺5中設置有一控制器(圖中未示出)，計算機6發送信號通過控制器控制待成像物體實現繞轉軸360度範圍內旋轉和上、下平移，在拍攝時根據實際需要選取待成像物體的旋轉角度間隔，即確定CCDl拍攝待成像物體的位置，CCDl將拍攝得到的物體圖像發送到計算機6進行物體表面三維輪廓信息的提取。上述實施例中，光源的數量可以根據實際的實驗情況選擇使用若干個，只要能滿足在拍攝時物體所需要的光照條件即可。如圖I 2所示，本發明實施例採集待成像物體的圖像時，採用兩白光光源3、4照射到轉臺5上的待成像物體,待成像物體隨轉臺5選擇每隔5°沿同一方向旋轉(沿逆時針或沿順時針)即CCDl在待成像物體每轉動5°時攝取物體的圖像，CCDl將拍攝得到的72幅物體圖像依次發送到計算機6，計算機6對獲取的物體圖像進行表面三維輪廓信息提取的方法包括以下步驟 I、對得到的物體圖像利用水平集算法提取待處理圖像中選定區域的物體邊界。I)計算機6依次讀取72幅物體圖像並將其存儲成圖像序列，根據所需要提取的表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍後得到待處理圖像I，其中O < s彡I。例如讀取的原始圖像大小512X512，即表示此幅圖像由512行、512列像素點組成，將此幅圖像縮小到原始圖像的O. 5倍，則縮小後圖像的大小為256X256。上述圖像縮小可以採用現有技術中基於小波變換、基於離散餘弦變換或基於降採樣(隔點抽樣)等圖像縮小方法，本實施中採用基於降採樣的圖像縮小方法，具體為對一維的512個像素點而言，採用降採樣的方法縮小O. 5倍是指抽取編號為1、3、5、7、……、511的共256個像素點，捨棄編號為偶數的像素點；對二維的512X512個像素點組成的圖像而言，採用此方法縮小O. 5倍是指抽取行列編號都為奇數的像素點，如(1，I )，( 1，3)等共256X256個像素點，即得到大小為256X256的圖像。2)從上述步驟I)中得到的待處理圖像I中任意選取一幅圖像，通過手動選擇需要提取物體三維輪廓的區域R。從待處理圖像I中選取任意一幅圖像在計算機6上顯示出來，利用滑鼠在該圖像上選擇需要提取三維輪廓的區域R，此時記錄所選擇區域的坐標，由於所有待處理圖像的大小都是相同的，例如256X256，所以根據所選擇區域的坐標，可以得到在其它各幅圖像上該區域的位置。3)對每一幅待處理圖像I在選定區域R內利用水平集算法提取物體選定區域的邊界，其中水平集算法採用的公式如下
權利要求
1.一種提取物體三維表面輪廓的方法，其包括以下步驟 1)設置一包括有一(XD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉臺和一計算機的成像系統，所述轉臺中設置有控制器； 2)將從成像系統中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區域的物體邊界； 3)根據待處理圖像的大小得到物體的各個斷層圖像，並在各個斷層圖像上提取該層的表面輪廓，其包括以下步驟 ①在成像系統中定乂旋轉坐標系和拍攝坐標系； ②選取待處理圖像的某一層，計算該層圖像上提取的物體邊界距離圖像中心線的距離； ③進行坐標變換，即計算物體在各個成像角度時鏡頭光心在旋轉坐標系中的坐標，以及所有待處理圖像中物體邊界在旋轉坐標系中的坐標； ④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像； ⑤通過步驟④在得到該層的邊界反投影圖像基礎上提取物體此層的邊界點坐標； ⑥利用濾波器對步驟⑤所得到的表面輪廓進行平滑處理； ⑦對待處理圖像的每一層重複步驟① ⑥，得到物體各個斷層的表面輪廓； 4)將通過步驟3)所得的物體各個斷層的表面輪廓合併起來，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序將邊界點按照搜索角度有序排列連接起來。
2.如權利要求I所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟2)包括以下步驟 ①依次從成像系統中讀取物體圖像並將其存儲成圖像序列，根據所需要提取物體表面輪廓的精度要求，將圖像序列中的每一幅圖像縮小到原始圖像的s倍後得到待處理圖像，其中O < s彡I ; ②從待處理圖像中任意選取一幅圖像，通過手動選擇需要提取物體三維輪廓的區域； ③對每一幅待處理圖像在選定區域利用水平集算法提取物體選定區域的邊界。
3.如權利要求I所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中③進行坐標變換包括以下步驟 ①計算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標系中的坐標； ②通過坐標變換公式將拍攝坐標系中物體邊界的坐標換算到旋轉坐標系中。
4.如權利要求2所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中③進行坐標變換包括以下步驟 ①計算鏡頭光心和待處理圖像中物體邊界在拍攝坐標系中的坐標； ②通過坐標變換公式將拍攝坐標系中物體邊界的坐標換算到旋轉坐標系中。
5.如權利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中④利用非平行束反投影的方法得到物體邊界反投影圖像的具體過程為利用物體邊界坐標和鏡頭光心坐標確定一條反投影線，將所有待處理圖像的所有邊界的反投影線全部確定後，得到物體在某一層的邊界反投影圖像，所述反投影線與光線實際傳播路徑方向相反。
6.如權利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用先提取最大連通區域，再逐角度搜索的方法。
7.如權利要求5所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用先提取最大連通區域，再逐角度搜索的方法。
8.如權利要求I或2或3或4所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用直接逐角度搜索方法。
9.如權利要求5所述的一種提取物體三維表面輪廓的方法，其特徵在於所述步驟3)中⑤所述的提取物體此層所選定區域的邊界點採用直接逐角度搜索方法。
全文摘要
本發明涉及一種提取物體三維表面輪廓的方法，包括以下步驟1)設置包括有一CCD、一鏡頭、若干光源、一放置待成像物體的轉臺和一計算機的成像系統，轉臺中設置有控制器；2)將從成像系統中得到的物體圖像，利用水平集算法提取待處理圖像中選定區域的物體邊界；3)根據待處理圖像的大小得到物體的各個斷層圖像，並在各個斷層圖像上提取該層的表面輪廓；4)將通過步驟3)所得的物體各個斷層的表面輪廓合併起來，得到物體三維表面輪廓，具體是指按層的順序將邊界點按照搜索角度有序排列連接起來。本發明可以廣泛應用於快速獲取物體三維表面輪廓中。
文檔編號G01B11/24GK102869950SQ201180010668
公開日2013年1月9日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者白淨, 張舒, 陳頎瀟 申請人:清華大學