三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法

2023-08-04 09:44:36 3

專利名稱：三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法
技術領域：
本發明是一種逆向工程中，用三維掃描系統根據空間二進位編碼實現的一種基於單像素的閾值分割方法。屬於圖象三維信息重構的技術領域。
背景技術：
逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術是20世紀80年代後期出現在先進位造領域裡的新技術，其一般包括四個基本環節三維形體檢測與轉換(物理數據的獲得)、數據預處理(點雲處理、識別、多視拼接)，CAD模型的建立(曲面重構)、CAM製件成型。大多數關於逆向工程的研究主要集中在實物的逆向重構上，即產品實物的CAD模型重構和最終產品的製造方面，稱為「實物逆向工程」。其基本流程圖如圖1所示。
三維檢測技術是近十年來蓬勃發展起來的新興研究領域，它與計算機技術的發展相結合取得了驚人的進展。由於結構光法具有檢測過程完全非接觸、數據空間解析度高、一次性瞬間投影直接實現三維空間物體形狀檢測和獲取三維信息的特點，且成本低，便於實際應用，從而具有較高研究價值和發展前景，因此結構光法是實現三維幾何形狀檢測及其重構的常用方法。
逆向工程的最終目的是為了重構三維實物，理論上來說，不需任何輔助手段，只需根據雙目CCD得到的兩幅圖中的視差就可以還原實物模型。但是對計算機來說，無法直接檢測出物體在不同鏡頭下的物體視差，因此必須設計光柵條紋輔助計算機對其進行判斷。對物體在不同鏡頭下視差的識別，可以等同於對單幅圖片中物體特徵區域的識別，也就是說如果在單幅圖片上標識出物體的每一個特徵部分，那麼只需簡單比較兩張圖中的同一特徵區就可以輕易的獲取二者之間的誤差。在單幅圖片中，物體本身並不具備有規律、明顯便於識別的特徵。因此必須對物體進行光柵投影，使的在得到圖片中的物體表面上具有有規律的條紋形狀。那麼就把對圖片中物體不同特徵區域的識別的問題，最終轉化成為對圖像中條紋的識別。圖像中可識別的條紋數越多、識別結果中條紋的位置精度越高，則最終得到的物體空間劃分就越細，最終重構出的物體CAD點雲的精度就會越高。因此得到滿足高精度要求的編碼就是關鍵所在。
編碼技術在結構光投影法的數據獲取中起著重要的作用，它影響著測量的精度，速度和可靠性。為了得到較好的編碼結果，投影圖案的閾值分割效果起著決定性的作用。然而在三維檢測中，當物體的色彩較暗或光照不均勻時，利用一般的閾值分割方法，無法得到良好的閾值分割結果，編碼缺失嚴重，甚至根本得不到物體的編碼。因此以前普遍採用的是將物體噴上白粉後再進行投影，方可得到較好的編碼結果，限制較多，不能適用於普遍的測量要求。
常用的閾值分割算法主要有全局閾值法和局部閾值法兩大類。在全局閾值法中，選取閾值的方法有平均灰度閾值法、直方圖法、數學期望法。局部閾值法的方法很多。不同閾值分割算法的區別在於閾值的選取方法不同。這些閾值分割算法有的主要側重於前景和背景的區分，而對於圖像的細微處沒有很好的區分，有的則強調細節的劃分，而對於整體把握不夠。而且大多數圖像分割技術是基於一幅圖片中相鄰像素的灰度或其他參數進行的，對於某個像素的分割依賴於全圖的特點，抗噪聲能力不強。對於對比度較差的條紋圖像，一般的閾值分割應用於光柵條紋圖難以得到準確的區分開黑白條紋的分割結果。因此，當物體的色彩較暗或光照不均勻時，可根據二進位編碼的自我規範化特點，即要求每一個物點上至少有一個亮條紋和一個暗條紋落在上面，由於每個像素點在黑條紋投影下的灰度值與白條紋投影下的灰度值差別較大，完全可以根據一系列的投影光柵圖對單一像素點進行閾值分割，從而獲取較好的分割結果，得到黑白條紋劃分清晰的投影圖案。

發明內容
技術問題針對現有技術所存在的缺點和限制，本發明的目的在於設計一種三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法，此方法實現簡單，運算速度快，對於單一像素點進行閾值分割，因此分割不依賴於圖中其他的像素點，抗幹擾能力強，投影圖案黑白條紋分割清楚，有利於進行完整準確的編碼。
技術方案根據空間二進位編碼的要求設計逐步二分的投影光柵圖，將投影圖案取回計算機進行分析。由於空間二進位編碼必須滿足自我規範化條件，由於像素上取得的光強灰度值受投影物面的反射率影響，可能使暗條紋在白色物面上產生的灰度值與亮條紋在黑色物面上產生的灰度值相接近甚至於更大(圖3)，此時難以用一般的閾值分割方法進行劃分，但是每個像素點在黑條紋投影下的灰度值與白條紋投影下的灰度值差別較大，完全可以根據一系列的投影光柵圖對單一像素點進行閾值分割。
對於閾值的選取，為簡單起見，開始採用取某一像素點在一系列圖案中的最大灰度值和最小灰度值的均值作為閾值，將每幅圖中當前位置的象素根據這一個閾值進行分割，明顯看到可以區分出大部分的黑白條紋，但效果仍不是十分理想，(圖4)。由圖中可以看出黑白條紋基本上可以區分出來，但是某些位置劃分的不是很清晰。因此如何選取閾值，本發明採用了逐步逼近和迭代的方法。對於某一位置的像素點根據一系列投影圖像中同一位置的像素灰度值可找到一個最佳閾值，設為T。首先根據某種規則得到圖像的一個閾值t，然後不斷的修正t直到它無限趨近於T。最後以T作為選定的閾值，將一系列投影圖案中此位置的像素點根據這一閾值依次劃分為黑或白，將每一位置的像素點都處理完畢，即獲得了所有投影圖案已經清晰劃分了黑白條紋的閾值分割圖。有了清晰的閾值分割圖，則可以進行高精度的編碼，從而獲取準確的物體的三維信息(圖5)。
主要操作和計算步驟應用本方法對三維掃描系統中條紋圖的閾值分割主要包含以下步驟(1)設計一組採用逐步二分的光柵投影圖案。第1幅粗光柵圖片中有黑白2條條紋，第2幅粗光柵圖片對第1幅中的黑白條紋進行等分，得到4條黑白交替的條紋，依此類推，第n(n為正整數)幅粗光柵圖片對第n-1幅粗光柵圖片中的條紋進行等分，得到2n條黑白交替條紋，上述細光柵為條紋寬度是最後一幅粗光柵圖片中條紋寬度的二分之一的光柵，其中後一幅細光柵圖片中條紋位置依次與上一幅細光柵圖片中條紋位置在同方向上偏移l/k距離，l為細光柵中的條紋寬度，k為細光柵圖片的總幅數，l/k值為0.4到0.6個像素寬度。將設計的這一組光柵圖案投影至物體上，然後由CCD攝回至計算機。投影光柵圖如圖6所示。
(2)分析空間二進位編碼的特點。根據空間二進位編碼必須滿足自我規範化條件的要求，對於每一位置的像素點，搜尋在一組投影圖案中這一位置像素的灰度值，利用逐步逼近和迭代的方法，確定最佳閾值T。遍歷一系列投影圖像，每一位置的像素點均可得到一個區分其為黑、白光照射的最佳閾值T，根據T可將當前位置的像素點進行成功的閾值分割。所有位置的像素點閾值分割完畢，即可劃分出所有投影圖案的清晰的黑、白條紋，效果較為理想。
確定最佳閾值T採用逐步逼近和迭代的方法，對於某一位置的像素點根據一系列投影圖像中同一位置的像素的灰度值可找到一個最佳閾值，設為T，首先根據某種規則得到圖像的一個閾值t，然後不斷的修正t直到它無限趨近於T；該方法主要包括以下步驟1)遍歷一系列投影圖案，找出(x，y)位置像素點的最大灰度值和最小灰度值，記為G(x，y)max和G(x，y)min，令初始閾值t＝(G(x，y)max+G(x，y)min)/2，2)根據閾值t將(x，y)位置的像素區分為黑條紋投影和白條紋投影，分別求出不同投影光下的平均灰度值ZB和ZW，3)求出(x，y)位置像素新閾值t0＝(ZB+ZW)/2，4)若t0＝t或者迭代此數大於200次時，則結束；否則把t0的值賦給t，轉到步驟2)，循環迭代計算，此時的t即認為是劃分(x，y)位置像素點在一系列投影圖案中是黑或白條紋的最佳閾值T，根據此最佳閾值即可將一系列投影圖案當前位置的像素進行分割為黑或白色，5)遍歷對投影圖案上每一位置的像素進行遍歷，依次應用上述方法進行一系列投影圖案當前位置像素的閾值分割，遍歷完畢即將所有圖案所有位置的像素點分割完畢，得到了黑白條紋劃分清晰的分割圖。
有益效果與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明主要用於在物體表面色彩較暗或光照不均勻時，對投影圖案進行閾值分割。利用本發明，可以有效的避免環境光和物體本身色彩對分割的影響，不會出現用一般閾值分割方法時很多黑白條紋無法區分，全部被錯劃為全黑或全白的情況，從而相應提高了編碼結果的準確度。利用常見的閾值分割方法可能會得到的閾值分割結果和編碼結果。在圖7中，我們可以看到物體部分全部被劃分為黑色，無法區分出黑白條紋。在圖8中，我們可以看到由於圖像閾值分割結果不好可能導致大面積的編碼結果缺失，最終無法得到物體的三維信息。
對於以上情況，我們考慮採用根據空間二進位編碼的自我規範化特點，根據一系列的投影光柵圖對單一像素點進行閾值分割。這種方法實現簡單，運算速度快，對於單一像素點進行閾值分割，因此分割不依賴於圖中其他的像素點，抗幹擾能力強，投影圖案黑白條紋分割清楚，有利於進行完整準確的編碼。採用基於單像素閾值分割方法後得到的閾值分割結果和編碼結果見圖9、圖10。採用該方法後，需要進行三維檢測的物體無需再噴白粉，對於環境光也沒有特殊的要求，可以廣泛的適用於工業檢測的各個領域。
此方法實現簡單，運算速度快，對於單一像素點進行閾值分割，因此分割不依賴於圖中其他的像素點，抗幹擾能力強，投影圖案黑白條紋分割清楚，有利於進行完整準確的編碼。並且採用該方法後，需要進行三維檢測的物體無需再噴白粉，對於環境光也沒有特殊的要求，可以廣泛的適用於工業檢測的各個領域。
本發明通過空間二進位編碼的自我規範化特點(即要求每一個物點上至少有一個亮條紋和一個暗條紋落在上面)，利用一系列的投影圖案，根據單一像素點進行閾值分割，物體不再需要噴白粉，並且在一般的環境光下均能得到較好的閾值分割結果，黑白條紋分割清晰，並可由此得到完整的編碼結果，從而獲取較好的三維信息。


圖1是逆向工程通用流程圖。
圖2是光柵式三維掃描系統組成示意圖。
圖3是受投影物面的反射率影響暗條紋灰度值大於亮條紋灰度值的情形圖。
圖4是一系列圖案中像素的均值作為閾值的分割結果示意圖。
圖5是獲取物體三維信息方法整體流程示意圖。
圖6是逐步二分的投影光柵圖案。
圖7是採用常見閾值分割時的條紋圖分割結果示意圖。
圖8是採用常見閾值分割後的編碼結果示意圖。
圖9是採用基於單像素閾值分割方法的條紋圖分割結果示意圖。
圖10是採用基於單像素閾值分割後的編碼結果示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖示對本發明的具體實施方式
作進一步描述。根據上述方法，在Windows作業系統中通過VC++6.0平臺用C++編程實現了條紋圖進行閾值分割的操作。該實例是對三維掃描系統中對未噴粉的，黑白條紋的對比度較低的摩託車護板的投影光柵圖進行閾值分割。主要包括以下步驟1)設計一組採用逐步二分的光柵投影圖案第1幅粗光柵圖片中有黑白2條條紋，第2幅粗光柵圖片對第1幅中的黑白條紋進行等分，得到4條黑白交替的條紋，依此類推，第n幅粗光柵圖片對第n-1幅粗光柵圖片中的條紋進行等分，得到2n條黑白交替條紋，上述細光柵為條紋寬度是最後一幅粗光柵圖片中條紋寬度的二分之一的光柵，其中後一幅細光柵圖片中條紋位置依次與上一幅細光柵圖片中條紋位置在同方向上偏移l/k距離，l為細光柵中的條紋寬度，k為細光柵圖片的總幅數，l/k值為0.4到0.6個像素寬度，將設計的這一組光柵圖案投影至物體上，然後由CCD攝回至計算機。投影光柵圖如圖5所示。
a)光柵設計我們在實際使用時設計了一組光柵條紋，總共11幅，其中粗條紋系列7幅，細條紋系列4幅。它們滿足技術方案中所提及的對光柵的要求。當然也可以設計和使用其他幅數的光柵條紋。
b)使用CCD攝像機拍攝圖像對於每一幅光柵圖，攝像機都對物體取圖一次。為了保證取圖的質量，拍攝時儘量減少走動，不要在光線劇烈變化，環境光極強的情況下對物體進行拍攝，2)分析空間二進位編碼的特點根據空間二進位編碼必須滿足自我規範化條件的要求，對於每一位置的像素點，搜尋在一組投影圖案中這一位置像素的灰度值，利用逐步逼近和迭代的方法，確定最佳閾值T。遍歷一系列投影圖像，每一位置的像素點均可得到一個區分其為黑、白光照射的最佳閾值T，根據T可將當前位置的像素點進行成功的閾值分割。所有位置的像素點閾值分割完畢，即可劃分出所有投影圖案的清晰的黑、白條紋，效果較為理想。
a)選取閾值採用了逐步逼近和迭代的方法。對於某一位置的像素點根據一系列投影圖像中同一位置的像素的灰度值可找到一個最佳閾值，設為T，首先根據某種規則得到圖像的一個閾值t，然後不斷的修正t直到它無限趨近於T。對於某一位置(x，y)的像素點的閾值分割具體步驟如下(1)遍歷一系列投影圖案，找出(x，y)位置像素點的最大灰度值和最小灰度值，記為G(x，y)max和G(x，y)min，令初始閾值t＝(G(x，y)max+G(x，y)min)/2。
(2)根據閾值t將(x，y)位置的像素區分為黑條紋投影和白條紋投影，分別求出不同投影光下的平均灰度值ZB和ZW。
(3)求出(x，y)位置像素新閾值t0＝(ZB+ZW)/2。
(4)若t0＝t或者迭代此數大於200次時，則結束。否則把t0的值賦給t。轉到步驟(2)，循環迭代計算。
此時的t即認為是劃分(x，y)位置像素點在一系列投影圖案中是黑(或白)條紋的最佳閾值T。根據此最佳閾值即可將一系列投影圖案當前位置的像素進行分割為黑或白色。
b)遍歷對投影圖案上每一位置的像素進行遍歷，依次應用上述方法進行一系列投影圖案當前位置像素的閾值分割，遍歷完畢即將所有圖案所有位置的像素點分割完畢，得到了黑白條紋劃分清晰的分割圖。
權利要求
1.一種三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法，其特徵在於該方法主要包含以下步驟1.)設計一組採用逐步二分的光柵投影圖案第1幅粗光柵圖片中有黑白2條條紋，第2幅粗光柵圖片對第1幅中的黑白條紋進行等分，得到4條黑白交替的條紋，依此類推，第n幅粗光柵圖片對第n-1幅粗光柵圖片中的條紋進行等分，得到2n條黑白交替條紋，上述細光柵為條紋寬度是最後一幅粗光柵圖片中條紋寬度的二分之一的光柵，其中後一幅細光柵圖片中條紋位置依次與上一幅細光柵圖片中條紋位置在同方向上偏移l/k距離，其中，l為細光柵中的條紋寬度，k為細光柵圖片的總幅數，l/k值為0.4到0.6個像素寬度；將設計的這一組光柵圖案投影至物體上，然後由CCD攝回至計算機；2.)分析空間二進位編碼的特點根據空間二進位編碼必須滿足自我規範化條件的要求，對於每一位置的像素點，搜尋在一組投影圖案中這一位置像素的灰度值，利用逐步逼近和迭代的方法，確定最佳閾值T；遍歷一系列投影圖像，每一位置的像素點均可得到一個區分其為黑、白光照射的最佳閾值T，根據最佳閾值T可將當前位置的像素點進行成功的閾值分割；所有位置的像素點閾值分割完畢，即可劃分出所有投影圖案的清晰的黑、白條紋。
2.根據權利要求1所述的三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法，其特徵在於確定最佳閾值T採用逐步逼近和迭代的方法，對於某一位置的像素點根據一系列投影圖像中同一位置的像素的灰度值可找到一個最佳閾值，設為T，首先根據某種規則得到圖像的一個閾值t，然後不斷的修正t直到它無限趨近於T；該方法主要包括以下步驟1)遍歷一系列投影圖案，找出(x，y)位置像素點的最大灰度值和最小灰度值，記為G(x，y)max和G(x，y)min，令初始閾值t＝(G(x，y)max+G(x，y)min)/2，2)根據閾值t將(x，y)位置的像素區分為黑條紋投影和白條紋投影，分別求出不同投影光下的平均灰度值ZB和ZW，3)求出(x，y)位置像素新閾值t0＝(ZB+ZW)/2，4)若t0＝t或者迭代此數大於200次時，則結束；否則把t0的值賦給t，轉到步驟2)，循環迭代計算；此時的t即認為是劃分(x，y)位置像素點在一系列投影圖案中是黑或白條紋的最佳閾值T，根據此最佳閾值即可將一系列投影圖案當前位置的像素進行分割為黑或白色，5)遍歷對投影圖案上每一位置的像素進行遍歷，依次應用上述方法進行一系列投影圖案當前位置像素的閾值分割，遍歷完畢即將所有圖案所有位置的像素點分割完畢，得到了黑白條紋劃分清晰的分割圖。
全文摘要
三維掃描系統中基於單像素的閾值分割方法是一種逆向工程中，用三維掃描系統根據空間二進位編碼實現的一種基於單像素的閾值分割方法。該方法主要包含以下步驟1.)設計一組採用逐步二分的光柵投影圖案第n幅粗光柵圖片對第n－1幅粗光柵圖片中的條紋進行等分，得到文檔編號G06T5/00GK1928920SQ20061004155
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月15日 優先權日2006年9月15日
發明者達飛鵬, 李紅巖 申請人:東南大學