一種三頻彩色條紋投影三維測量方法

2023-05-18 15:40:16

專利名稱：一種三頻彩色條紋投影三維測量方法
技術領域：
本發明屬於光學檢測領域，涉及一種三維輪廓的光學檢測方法，特別是一種三頻彩色條紋投影三維測量方法。
背景技術：
動態物體的三維測量在工業生產、國防安全、醫學研究、生活娛樂等眾多領域具有廣闊的應用前景，例如產品質量的在線檢測、醫療修復手術、人臉識別、數字媒體等。為了實現動態物體快速精確的三維測量，通常採用多攝像機拍攝的立體視覺方法和條紋投影的結構光方法。立體視覺技術由於存在立體匹配的不確定性使測量精度較低， 多個攝像機也增加的硬體成本。條紋投影方法目前主要採用灰度複合條紋和彩色條紋投影兩種途徑。灰度複合條紋投影法將幾種載頻條紋組合在灰度條紋中，傅立葉變換用以提取各載頻項的包裹相位，採用不同的去包裹算法將相位展開，該方法由於不同載頻之間的頻譜混疊限制了其測量範圍。彩色條紋投影增加了條紋信息，然而被測物體的顏色、投影儀和 CCD之間的顏色耦合嚴重影響測量精度。採用濾光片和彩色3-CCD可以從硬體角度消除顏色耦合，但採用濾光片極大地削弱了光強，選用彩色3-CCD增加了成本。數字投影儀用於彩色三步相移條紋投影，藉助旋轉色輪快速切換三幀相移條紋圖，避免了彩色的顏色耦合問題，但是該方法主要有兩點不足一是受旋轉色輪切換速率的限制，難以測量高速運動的物體；二是相位的展開在空域進行，算法複雜、可靠性低。文獻(Zhou X, Zhao H, Zhang PF. Optical 3D shape measurement for dynamic obj ect using color fringe pattern proj ection and empirical mode decomposition. Europe Optical Metrology International Symposium, Proc of SPIE, Vol. 7389,Munich, Germany, 2009)提出了一種三頻彩色條紋投影的三維測量方法。該方法採用三種頻率的彩色正弦條紋投影到物體表面，並採用一維EMD方法進行頻率分離，利用 Hilbert變換提取相位信息，最後採用變精度去包裹方法得到高頻條紋的展開相位。該方法作為解決動態測量的一種思路是可取的，但真正測量動態物體還是比較困難的，原因在於1)所述方法均採用一維信號處理技術，即把條紋看作是若干行信號的簡單疊加 (見該文獻2. 2.2節)。包括條紋投影方向、EMD分解方法、Hilbert變換均為一維方法。而待分析的變形條紋圖為二維圖像，一維處理方法忽略了局部像素各個方向上的關聯關係， 因此處理效果較差。比如在物體高度變換劇烈的區域會出現較大誤差，且誤差沿處理方法擴展(見該文獻圖7，人臉石像的邊緣及五官邊緣有較大的橫向擴展誤差)。2)所述一維EMD顏色解耦算法(見該文獻2. 2. 2節)只考慮了去除其他載頻分量的顏色串擾，而沒有考慮背景光強變化造成的頻譜混疊問題，導致相位求解精度下降。同時，一維EMD分解方法由於不能利用二維圖像灰度信息，使極值點的提取極易受到噪聲的幹擾，導致嚴重的誤差(見該文獻圖5，分離出的三個條紋分量在人臉石像的邊緣有明顯的拉線現象)。
3)所述的Hilbert變換數一維信號處理方法，不適用於二維變形條紋，同時條紋固有的高次諧波混疊導致相位結果中有明顯的波紋現象(見該文獻圖7(c))。因此，zhou等在文獻中提出的方法具有明顯的缺陷，也沒有給出動態物體的測量結果。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種三頻彩色條紋投影三維測量方法，該測量方法採用三頻彩色條紋投影技術和二維信號處理手段，形成基於單幀拍攝的全場三維測量技術，可以快速實現動態物體的全場三維輪廓測量。本發明的目的是通過以下技術方案來解決的該種三頻彩色條紋投影三維測量方法為計算機生成彩色條紋圖，其RGB三個顏色通道分別由低、中、高三種載頻的正弦條紋生成，RGB三個顏色通道對應的三個正弦條紋的載頻頻率高低排列順序是任意的，高、中及中、低載頻大小之比均大於2且小於10;將該彩色條紋圖經數字投影儀的RGB三個彩色通道同時投影至被測物面，彩色CCD在另一角度拍攝變形彩色條紋圖，將變形彩色條紋圖中含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減以消減背景光強，得到高、低頻複合的條紋圖；繼而用二維經驗模式分解BEMD進行分解，分離高、中載頻分量；同理，將含中、低頻率分量的顏色通道相減，得到中、低頻複合的條紋圖，用二維經驗模式分解BEMD分解得到中、低載頻分量；以二維短時傅立葉變換解調得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，最後以變精度去包裹算法按低、中、高載頻分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位，由此展開相位恢復物體高度。上述彩色條紋圖中的正弦條紋分布方向包括水平、豎直和傾斜三種。進一步的，將上述變形條紋圖RGB三分量兩兩相減以消除背景光強分布，具體方法按照如下步驟進行第一步，由M位彩色變形條紋圖RGB三通道得到三幅條紋圖；第二步，B、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，進而用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和BIMF2分量，分別對應高頻和中頻分量；第三步，R、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，使用二維離散小波變換降噪，以去除其中殘留的高頻條紋分量，再用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和 BIMF2分量，則分別對應中頻和低頻分量；經過上述步驟，使彩色條紋圖全局的高、中、低各載頻分量徹底分開，實現顏色解華禹。以上在實施二維經驗模式分解BEMD時，採用形態學方法找尋條紋圖極值點，採用二維自適應移動平均算法構造上、下包絡曲面。具體如下首先定義條紋圖的脊線和谷線為極值點，接著採用如下迭代方法找尋脊線和谷線·1)對彩色條紋圖進行二值化，採用細化方法找尋脊線，作為它們的初始值； 2)使用梯度法計算脊線法線方向，並沿法線方向找尋局部極值點，利用膨脹和細化算法連接這些極值點，作為新的脊線； 3)重複步驟1)至2)直到兩次脊線位置差值小於預先設定的參數，由此得到極大值點分布圖；4)採用相反的二值化並重複上述步驟1)至3)得到谷線，即極小值點分布圖。進一步構造彩色條紋圖上、下包絡曲面，方法如下a)首先對極大值點分布圖採用歐式距離變換，將其分割為若干小區域；b)將每個小區域中的像素值用該小區域中的極大值點代替，形成粗糙的條紋圖上包絡曲面；c)對於小區域中的每個像素點，以該小區域內最遠兩像素點距離為該像素點的窗口半徑參數，則每個小區域的像素點都得到不用於其它小區域的窗口半徑參數；d)以此半徑參數對步驟b)中粗糙的條紋圖上包絡曲面進行變窗口自適應二維移動平均，得到光滑的上包絡曲面；e)同理，對極小值圖採用上述步驟步驟a)至d)得到光滑的下包絡曲面。本發明具體具有以下幾點有益效果(1)本發明採用三頻彩色條紋投影技術，形成基於單幀拍攝的全場三維測量技術， 為紋理無特徵、形狀不規則的動態複雜物體三維測量提供了新方法。(2)本發明採用二維信號處理技術，提出基於二維經驗模式分解BEMD的頻率分離方法和二維傅立葉變換的相位解調方法，有效的解決了已有一維EMD方法的抗噪聲能力差和相位提取精度低的問題，從而實現了彩色變形條紋圖的無失真顏色解耦。(3)本發明提出了二維形態學BEMD，有效的解決了傳統BEMD在極值點提取時不穩定的困難，提高了分解的可靠性。


圖1 (a)為本發明的實驗裝置圖；圖1(b)為光路原理圖；圖2為彩色變形條紋圖；圖3為變形條紋圖Red (a)、Green (b)、Blue(c)通道圖像及EMD分離的低(d)、中 (e)、高(f)載頻項；圖4為低(a)、中(b)、高(C)精度的包裹相位與低(d)、中(e)、高(f)精度的展開相位；圖5為人臉石膏像(a)以及用本發明方法如(b)、FTP如(c)、四步相移法如(d)恢復的相位分布；圖6為真人臉連續變化表情的三維測量，圖中為三頻彩色條紋；圖7為模擬載頻條紋圖，其中(a)為模擬條紋圖，(b)為模擬相位分布圖；圖8為形態學BEMD算法模擬其中(a)為二值化圖；(b)為脊線迭代尋找；(c)為歐式距離變換；(d)為粗糙上包絡曲面；(e)為窗口半徑分布；(f)為平滑上包絡曲面；(g) 為上下包絡面和均值曲面；圖9為本發明的基本原理框圖。
具體實施例方式本發明的三頻彩色條紋投影三維測量方法為使計算機生成彩色條紋圖，其RGB三個顏色通道分別由低、中、高三種載頻的正弦條紋生成，RGB三個顏色通道對應的三個正弦條紋的載頻頻率高低排列順序是任意的，高、中及中、低載頻大小之比均大於2且小於 10 ；並且所述彩色條紋圖中的正弦條紋分布方向包括水平、豎直和傾斜三種。將該彩色條紋圖經數字投影儀的RGB三個彩色通道同時投影至被測物面，彩色CCD在另一角度拍攝變形彩色條紋圖，將變形彩色條紋圖中含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減以消減背景光強，得到高、低頻複合的條紋圖。所述變形條紋圖RGB三分量兩兩相減以消除背景光強分布，具體方法按照如下步驟進行第一步，由M位彩色變形條紋圖RGB三通道得到三幅條紋圖；第二步，B、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，進而用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和BIMF2分量，分別對應高頻和中頻分量；第三步，R、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，使用二維離散小波變換降噪，以去除其中殘留的高頻條紋分量，再用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和 BIMF2分量，則分別對應中頻和低頻分量；經過上述步驟，使彩色條紋圖全局的高、中、低各載頻分量徹底分開，實現顏色解華禹。經過以上顏色解耦後，用二維經驗模式分解BEMD進行分解，分離高、中載頻分量； 在實施二維經驗模式分解BEMD時，採用形態學方法找尋條紋圖極值點，採用二維自適應移動平均算法構造上、下包絡曲面。具體為如下首先定義條紋圖的脊線和谷線為極值點，接著採用如下迭代方法找尋脊線和谷線·1)對彩色條紋圖進行二值化，採用細化方法找尋脊線，作為它們的初始值；2)使用梯度法計算脊線法線方向，並沿法線方向找尋局部極值點，利用膨脹和細化算法連接這些極值點，作為新的脊線；3)重複步驟1)至2)直到兩次脊線位置差值小於預先設定的參數，由此得到極大值點分布圖；4)採用相反的二值化並重複上述步驟1)至3)得到谷線，即極小值點分布圖。進一步構造彩色條紋圖上、下包絡曲面，方法如下a)首先對極大值點分布圖採用歐式距離變換，將其分割為若干小區域；b)將每個小區域中的像素值用該小區域中的極大值點代替，形成粗糙的條紋圖上包絡曲面；c)對於小區域中的每個像素點，以該小區域內最遠兩像素點距離為該像素點的窗口半徑參數，則每個小區域的像素點都得到不用於其它小區域的窗口半徑參數；d)以此半徑參數對步驟b)中粗糙的條紋圖上包絡曲面進行變窗口自適應二維移動平均，得到光滑的上包絡曲面；e)同理，對極小值圖採用上述步驟步驟a)至d)得到光滑的下包絡曲面。同理，將含中、低頻率分量的顏色通道相減，得到中、低頻複合的條紋圖，用二維經驗模式分解BEMD分解得到中、低載頻分量；以二維短時傅立葉變換解調得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，最後以變精度去包裹算法按低、中、高載頻分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位，由此展開相位恢復物體高度。
以下結合附圖對以上本發明所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法做進一步詳細描述本發明採用圖1 (a)所示的實驗裝置圖，圖1 (b)所示的是光軸交叉型光路結構，y 軸垂直於紙面，投影儀和CXD光心的連線與參考平面平行，L為投影儀光心到參考平面的距離，d為投影儀光心與CXD光心之間的距離。用計算機生成式(1)所示的三頻正弦條紋，並將其分別調製在投影儀的R、G、B三個通道中，形成三頻彩色正弦條紋圖。
'R(^y)'ar'br cos(2;rfrx)=aS+bg cos(2;r/gx)， (1)B(x,y)_ab_K cos(2;r/6x)式中Iai, i = r, g，b}分別為三頻正弦條紋的均值；Ibi, i = r，g，b}為條紋對比度；{fi，i =r，g，b}為載頻頻率，並假定f;<fg<fb。投投影儀將三頻彩色正弦條紋圖投影到被測物表面，彩色CCD從另一角度拍攝被物體高度調製的彩色變形條紋圖，考慮商用投影儀和CCD的顏色耦合，彩色變形條紋圖的光強分布表示為
gMy)CrrCrgC:rr (χ, y). {ar + br cos[2^/rx + cpr (x, j)]}nr(x,y)=CggCgbrg (χ, y). {as + bg cos[2^x + cpg (x,+ng{x,y)Sb(^y) _CbrCbgCbb_ rb (X, y) · {ab + bb cos[2^/&x + % (x, j)]}式O)中ICij彡1，i，j = r，g，b}為R、G、B通道之間的耦合係數且ICij = 1，i =j}，ICij e
, i ^ j} ； Iri (x, y), i = r, g, b}分別為被測物體對紅、綠、藍三種顏色的反射率；Ini (x, y)，i = r，g，b}為高頻噪聲；^(x，>0,/ = r,孓δ}為物體高度調製相位分布。當L>>h(x，y)時，它與高度有如
下關係
似力= _ 點[仍(W)—隊(W)]，⑶^ω(Χ,>0，〗 = 〃，孓M為參考面的相位分布。可見只要精確獲取了高頻載頻項的展開相位，就能恢復物體高精度的輪廓信息。三頻彩色條紋投影輪廓術的基本原理如圖9。背景消減及基於BEMD的顏色解耦和載頻分離BEMDBEMD自適應地將信號中所含的二維基本模式分量(BIMF)按頻率從高到底的順序依次提取出來，BIMF滿足條件①極值點個數相等或者至多不相差一個；②局部均值為零。 對於給定的信號f(x，y)，BEMD實現過程為(1)採用方法找f (X，y)的所有局部極值大點Mi, i = 1，2，...，和局部極小值點
Hii, i = 1, 2,…；(2)採用自適應二維移動平均算法得到局部極大值的上包絡曲面M (X，y)，局部極小值的下包絡曲面m(x，y)；(3)計算 f(x, y)的局部均值曲面 e (χ，y) = [M(x, y)+m(x, y)]/2 ；
(4)從 f (X，y)中減去 e (x, y) :h (χ, y) = χ (χ, y) _e (χ, y)；(5)重複步驟(1) (4)，直至h (t)為一個IMF,記作C1 (x, y)；(6)從 f (x, y)中減去 C1 (x, y)，得到剩餘值序列巧(x, y) :Γι (χ, y) = χ (χ, y) -C1 (χ, y)；重複上面五步，依次可得第2、第3直至第η個IMF，當滿足預定的停止準則停止處理。在上述BEMD步驟中，採用形態學方法找尋條紋圖極值點，並利用二維自適應移動平均算法構造上、下包絡曲面。具體為，首先定義條紋圖的脊線和谷線為極值點，接著採用如下迭代方法找尋脊線和谷線1)對條紋圖進行二值化，採用細化方法找尋脊線，作為它們的初始值。2)使用梯度法計算脊線法線方向，並沿法線方向找尋局部極值點，利用膨脹和細化算法連接這些極值點，作為新的脊線。3)重複1) 2)步直到兩次脊線位置差值小於預先設定的參數。由此得到極大值點分布圖。對採用相反的二值化並重複上述步驟可得到谷線，即極小值點分布圖。在此基礎上，進一步構造條紋圖上、下包絡曲面，方法如下1)首先對極大值圖採用歐式距離變換，將其分割為若干小區域。2)將每個小區域中的像素值用該區域中的極大值點代替，形成粗糙的條紋圖上包絡曲面。3)對於區域中的每個像素點，以該區域內最遠兩像素點距離為該像素點的窗口半徑參數，則每個區域的像素點都得到不用於其它區域的窗口半徑參數。4)以此半徑參數對2中粗糙包絡面進行變窗口自適應二維移動平均，得到光滑的上包絡曲面。同理，對極小值圖採用上述步驟可得到光滑的下包絡曲面。背景消減及基於BEMD的顏色解耦和載頻分離在彩色條紋投影中，被測物表面的顏色嚴重影響測量精度，為此，通過標定技術， 建立各顏色通道的光強分布查找表初步校正條紋均值和對比度。進一步，根據方法精確的校正均值和對比度。對C⑶獲取的如式⑵所示的彩色變形條紋圖，令A(x，y) =Ti(Xjy) BiiBi(Xjy) =Ti (x,y)bi; (i =r，g，b)，並進行以下處理:(1)校正條紋的均值和對比度；假設R、G、B通道條紋圖的均值分別為πν，mg, mb,以G通道條紋均值和對比度為基準，先採用下式校正R、B通道條紋的均值
權利要求
1.一種三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，計算機生成彩色條紋圖，其RGB 三個顏色通道分別由低、中、高三種載頻的正弦條紋生成，RGB三個顏色通道對應的三個正弦條紋的載頻高低排列順序是任意的，高、中及中、低載頻大小之比均大於2且小於10 ；將該彩色條紋圖經數字投影儀的RGB三個彩色通道同時投影至被測物面，彩色CCD在另一角度拍攝變形彩色條紋圖，將變形彩色條紋圖中含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減以消減背景光強，得到高、低頻複合的條紋圖；繼而用二維經驗模式分解BEMD進行分解，分離高、中載頻分量；同理，將含中、低頻率分量的顏色通道相減，得到中、低頻複合的條紋圖，用二維經驗模式分解BEMD分解得到中、低載頻分量；以二維短時傅立葉變換解調得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，最後以變精度去包裹算法按低、中、高載頻分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位，由此展開相位恢復物體高度。
2.根據權利要求1所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，所述彩色條紋圖中的正弦條紋分布方向包括水平、豎直和任意傾斜三種。
3.根據權利要求1所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，將所述變形條紋圖RGB三分量兩兩相減以消除背景光強分布，具體方法按照如下步驟進行第一步，由M位彩色變形條紋圖RGB三通道得到三幅條紋圖；第二步，B、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，進而用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和BIMF2分量，分別對應高頻和中頻分量；第三步，R、G條紋圖相減，得到複合頻率條紋圖，使用二維離散小波變換降噪，以去除其中殘留的高頻條紋分量，再用二維經驗模式分解BEMD對其分解，得到BIMFl分量和BIMF2 分量，則分別對應中頻和低頻分量；經過上述步驟，使彩色條紋圖全局的高、中、低各載頻分量徹底分開，實現顏色解耦。
4.根據權利要求1所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，在實施二維經驗模式分解BEMD時，採用形態學方法找尋條紋圖極值點，採用二維自適應移動平均算法構造上、下包絡曲面。
5.根據權利要求4所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，首先定義條紋圖的脊線和谷線為極值點，接著採用如下迭代方法找尋脊線和谷線1)對載頻條紋圖進行二值化，採用細化方法找尋脊線，並作為初始位置；2)使用梯度法計算脊線法線方向，並沿法線方向找尋局部極值點，利用膨脹和細化算法連接這些極值點，作為新的脊線；3)重複步驟1)至2、直到兩次脊線位置差值小於預先設定的參數，由此得到極大值點分布圖；4)採用相反的二值化並重複上述步驟1)至3)得到谷線，即極小值點分布圖。
6.根據權利要求5所述的三頻彩色條紋投影三維測量方法，其特徵在於，進一步構造彩色條紋圖上、下包絡曲面，方法如下a)首先對極大值點分布圖採用歐式距離變換，將其分割為若干小區域；b)將每個小區域中的像素值用該小區域中的極大值點代替，形成粗糙的條紋圖上包絡曲面；c)對於小區域中的每個像素點，以該小區域內最遠兩像素點距離為該像素點的窗口半徑參數，則每個小區域的像素點都得到不用於其它小區域的窗口半徑參數；d)以此半徑參數對步驟b)中粗糙的條紋圖上包絡曲面進行變窗口自適應二維移動平均，得到光滑的上包絡曲面；e)同理，對極小值圖採用上述步驟步驟a)至d)得到光滑的下包絡曲面。
全文摘要
本發明公開了一種三頻彩色條紋投影三維測量方法使計算機生成彩色條紋圖，將該彩色條紋圖經數字投影儀投影至被測物面，彩色CCD在另一角度拍攝變形彩色條紋圖，將含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減得到高、低頻複合的條紋圖；繼而進行分解，分離高、中載頻分量；同理，將含中、低頻率分量的顏色通道相減，再進行分解得到中、低載頻分量；以二維短時傅立葉變換解調得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，按低、中、高載頻分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位，由此展開相位恢復物體高度。該測量方法採用三頻彩色條紋投影技術，形成基於單幀拍攝的全場三維測量技術，可以快速實現動態物體的全場三維輪廓測量。
文檔編號G01B11/25GK102322822SQ20111022597
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者劉振軍, 劉銳, 周翔, 楊濤, 趙宏, 鄒海華 申請人:西安交通大學