[发明专利]基于全自动曝光的高动态范围光栅投影三维测量方法

说明书

本发明公开了一种基于全自动曝光的高动态范围光栅投影三维测量方法，该方法包括首先由相机采集一组投影仪投射的光栅，此时曝光时间为初始值t₁。然后，对于采集到的图像，计算条纹调制度I。根据相机的噪声水平曲线，求得调制度阈值I_t。然后可以根据该阈值计算整个测量过程一共需要的一组N个曝光时间。然后，根据计算得到的N个曝光时间，自动拍摄N组光栅条纹。用这N组条纹图可由传统相移算法求得N个相位图。对于原始图像中的所有像素点，根据条纹调制度信息I将它们分为N组，则对于第i组中的所有像素，其在第i个相位图中的相位则是受噪声影响较小的相位。根据此规则，将N个相位图融合成一个最终的相位图，从而结合标定信息求得物体的具有高动态范围的三维信息。

技术领域：

本发明属于计算机视觉中三维重构的领域，具体涉及一种基于全自动曝光的高动态范围光栅投影三维测量方法。

背景技术：

基于光栅投影的三维测量技术FPP(fringe projection profilometry)由于其精度高，速度快，受环境光影响较小等优点，近年来受到了广泛的研究和应用。作为一种基于主动光投影的三维测量方法，FPP也有相应的局限性。其中较为明显的一个是测量系统中所采用的工业相机的动态范围较小，导致在测量具有复杂表面纹理的物体时，采集到的光栅条纹图往往质量不佳。从而影响求解的相位质量以及最终的三维重构精度。

在测量表面纹理复杂的物体时，在采集到条纹图中会出现两类现象：一是由镜面反射物体引起的图像饱和问题，即图像中某些像素的灰度值超出该工业相机的极限(对于图像格式为8位的相机，该极限值为255)。二是当物体表面纹理较暗时，FPP系统采集到的图片信噪比较小，从而在暗部纹理图像部分求解得的相位质量较差。这两个问题是由相机的动态范围不够引起的。针对这两个问题，传统多重曝光技术被引入了光栅投影三维测量中。在这项技术中，FPP系统需要对同一个物体在不同的相机曝光时间下进行若干次测量，然后将不同的测量结果融合成为一个最终的结果。该方法能显著提升整个测量系统的动态范围，能有效解决上述提到的两个问题，对于表面具有镜面反射以及较暗纹理的物体，都能得到较好的三维信息。但是该方法也有其明显的缺点：整个测量过程操作较为繁琐，需要对同一场景连续测量多次才能得到最终结果。且每一次测量中相机的曝光时间难以量化，需要凭经验进行手动调节。尽管已有一些计算相机曝光时间的方法被提出，但计算过程仍然较为复杂，需要人为干预才能完成测量。如何全自动计算多重曝光过程中需要的曝光时间，使整个测量系统完全自动化，不需要人为干预，则是本专利的主要内容。

发明内容：

本发明旨在提供一种基于全自动曝光的高动态范围光栅投影三维测量方法，从而有效地提高整个测量系统的动态范围。该方法使得基于多重曝光的整个测量过程无需人为干预，也无需借助除测量系统本身以外任的硬件。仅通过分析相机噪声水平曲线以及在初次曝光下的条纹调制度，就可以计算整个多重曝光过程中所需要的所有曝光时间。根据这些曝光时间，测量系统对同一物体自动投影并拍摄多组光栅条纹图片，利用相移法可以求得多组相位图，这些相位图可用来获取一副最终的相位图，结合标定信息，则可以获取最终具有高动态范围的三维重构信息。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

基于全自动曝光的高动态范围光栅投影三维测量方法，该方法包括如下步骤：

S1.使用投影仪在表面纹理复杂的待测物体上投射所需的N幅标准相移正弦光栅图像I,对N幅条纹图进行采集,此时相机的曝光时间为t₁；

S2.对于步骤S1中采集得到的条纹图，求解条纹图的调制度I″并计算相机的噪声响应曲线，获取相机的最大噪声标准值σ；

S3.在考虑噪声的情况下，由噪声引起的相位误差的标准差σ_φ,相移步数N，相机噪声标准差σ以及调制度I″之间有如下关系：

S4.确定每一次测量的具体曝光时间；