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利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)字圖像和三維數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)及方法，包括搭建三維測量系統(tǒng)；對三維測量系統(tǒng)進行校準；建立關(guān)于灰度級修正非線性畸變的查找表；生成含有基頻與高頻的結(jié)構(gòu)光掃描圖片，并利用查找表對生成的結(jié)構(gòu)光掃描圖片進行預(yù)先修正，得到用于三維測量的圖片；掃描被測物體并同步抓取含有物體信息的圖片數(shù)據(jù)；將得到的掃描圖片數(shù)據(jù)通過計算，生成三維點云坐標并顯示。本發(fā)明采用預(yù)先校準得到一個關(guān)于灰度級修正非線性畸變的查找表，利用查找表對生成的結(jié)構(gòu)光掃描圖片數(shù)據(jù)進行灰度級修正，不僅可以有效地克服投影機非線性(也稱為伽馬(Gamma))的影響，也解決了在測量的過程中會出現(xiàn)的像素值上溢與下溢的問題。
【專利說明】利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字圖像和三維數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)三維測量分為被動三維測量與主動三維測量兩類。被動三維測量技術(shù)不需要結(jié)構(gòu)光照明，直接從一個或者多個攝像系統(tǒng)獲取二維圖像，根據(jù)視差等信息提取三維信息。被動測量的關(guān)鍵在于使用相關(guān)算法從不同圖像中找到對應(yīng)點，這種方法雖然硬件結(jié)構(gòu)簡單，但是僅適合用于對被測物體細節(jié)要求不高的場合，在工業(yè)測量領(lǐng)域中應(yīng)用較少。主動三維測量技術(shù)采用不同的投射裝置向被測量的物體投射不同種類的結(jié)構(gòu)光，并同步拍攝經(jīng)被測物體表面調(diào)制而發(fā)生形變的結(jié)構(gòu)光圖像，然后通過從攜帶有物體形貌的圖像中解碼計算出被測物體的三維形貌數(shù)據(jù)。主動測量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)發(fā)展極為迅速，上世紀八十年代，德國率先開始對面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)進行研究。結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)通常采用CCD照相機，投影機，以及計算機，測量過程包括系統(tǒng)標定，數(shù)據(jù)掃描以及三維點云計算ο
[0003]近兩年來,微軟推出了 Kinect體感攝像頭,華碩公司的Xtion PRO LIVE, Mac的體感控制器制造公司Leap公司的Leap Motion以及ToF攝像頭，雖然這些攝像頭都可以直接獲取三維數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)精度差，掃描數(shù)據(jù)結(jié)果受物體表面材質(zhì)影響大，以及需要后期開發(fā)攝像頭的相關(guān)應(yīng)用程序才能使用，很不方便。上述測量系統(tǒng)在測量精度，測量穩(wěn)定性和工業(yè)設(shè)計上還存在如下缺點:
[0004](I)系統(tǒng)使用物理光柵，對光柵投影裝置內(nèi)控制系統(tǒng)的精度和光柵片的制作工藝有很高的要求，包括2010年微軟推出的Kinect for Windows等類似設(shè)備；
[0005](2)僅能測量三維形貌數(shù)據(jù)，無法獲取物體表面的彩色紋理，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制；
[0006](3)采用商業(yè)投影機作為主動光源，三維重建表面具有很大的波紋，需要較多的掃描圖片才能夠削弱，掃描數(shù)據(jù)多且掃描時間長。
[0007]而且上述測量系統(tǒng)中，都沒有對系統(tǒng)進行非線性修正，而是采用大量的多頻率的掃描圖片，對非線性畸變進行抑制。測量系統(tǒng)中所用的投影機主要分為兩類——商業(yè)投影機和無非線性畸變的投影機，商業(yè)投影機為了達到較好的視覺效果，制造商加入了一組伽馬值，但是用于三維測量時，三維重建表面具有很大的波紋，影響測量精度；若加大掃描圖片數(shù)量，就會增加時間開銷。另外一種無非線性畸變的投影機，主要特點是亮度低，造價昂貴，僅適合用于科研。同時，在抓取圖片的過程中，無論是商業(yè)投影機還是無非線性畸變的投影機都會出現(xiàn)部分像素值發(fā)生上溢或者下溢的現(xiàn)象，并且沒有一種有效地方法能夠同時抑制投影機非線性畸變與像素值的上溢和下溢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)及方法，利用預(yù)先校準得到的查找表不僅解決了投影機非線性畸變的問題，而且也克服了照相機上溢和下溢的問題。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0010]利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)，包括投影機、照相機、計算機及用于三維校準的標靶，所述標靶置于照相機能夠捕捉且投影儀射出的光也能夠覆蓋的范圍，所述計算機分別與投影機和照相機進行信號傳輸，還包括用于控制照相機與投影機同步開啟的觸發(fā)電路，所述同步觸發(fā)電路采用NPN三極管放大電路，計算機VGA管腳的控制輸出端分別與投影機和三極管放大電路的基極連接，三極管放大電路的集電極再與照相機連接。
[0011]上述利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)中，從計算機VGA管腳的控制輸出端出來的信號觸發(fā)投 影機工作，同時該信號也作為場同步信號作用于三極管放大電路的基極，當(dāng)場同步信號發(fā)生變化后，三極管放大電路的集電極輸出信號觸發(fā)照相機同步拍攝。
[0012]利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，包括以下步驟:
[0013](I)、搭建三維測量系統(tǒng)；
[0014](2)、對三維測量系統(tǒng)進行校準；
[0015](3)、建立關(guān)于灰度級修正非線性畸變的查找表；
[0016](4)、生成含有基頻與高頻的結(jié)構(gòu)光掃描圖片，并利用查找表對生成的結(jié)構(gòu)光掃描圖片進行預(yù)先修正，得到用于三維測量的圖片；
[0017](5)、掃描被測物體并同步抓取含有物體信息的圖片數(shù)據(jù)；
[0018](6)、將得到的掃描圖片數(shù)據(jù)通過計算，生成三維點云坐標并顯示。
[0019]上述利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法中，搭建三維測量系統(tǒng)的具體步驟為:
[0020](I)、放置標靶于攝像頭能夠捕捉的范圍，投影機射出的光照能夠覆蓋掃描的范圍；
[0021](2)、打開照相機設(shè)置界面，合理設(shè)置照相機的曝光時間以及觸發(fā)模式，保證照相機與投影機處于同步狀態(tài)；
[0022](3)、在確保照相機焦距處于最佳狀態(tài)，實時檢測在白光照射下，拍攝到的圖像中是否產(chǎn)生上溢或者下溢，若有上溢或者下溢的現(xiàn)象，則要適當(dāng)調(diào)整照相機光圈，以保證照相機處于最理想的拍攝狀態(tài)，并重復(fù)進行上述過程。
[0023]上述利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法中，步驟(2)中為保證照相機與投影機處于同步狀態(tài)，所采用的觸發(fā)模式為同步觸發(fā)。
[0024]上述利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法中，對三維測量系統(tǒng)進行校準的具體步驟為:
[0025](I)、先導(dǎo)入預(yù)先通過測量標靶并計算得到的N(N ^ 6)組圓心三維點坐標，然后從照相機拍攝的圖像中獲取標靶在照相機中的圖像，并依次選取標靶每個面上方框的四個角點坐標；
[0026](2)、采用透視投影矩陣的方法對畸變的圖案進行校正映射，具體轉(zhuǎn)換公式如下所示，并應(yīng)用雙線性插值法或者最鄰近插值法對校正后的圖案進行插值，使得圖案被修正并達到較好的效果；
【權(quán)利要求】
1.利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)，包括投影機、照相機、計算機及用于三維校準的標靶，所述標靶置于照相機能夠捕捉且投影儀射出的光也能夠覆蓋的范圍，所述計算機分別與投影機和照相機進行信號傳輸，其特征在于:還包括用于控制照相機與投影機同步開啟的觸發(fā)電路，所述同步觸發(fā)電路采用NPN三極管放大電路，計算機VGA管腳的控制輸出端分別與投影機和三極管放大電路的基極連接，三極管放大電路的集電極再與照相機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:從計算機VGA管腳的控制輸出端出來的信號觸發(fā)投影機工作，同時該信號也作為場同步信號作用于三極管放大電路的基極，當(dāng)場同步信號發(fā)生變化后，三極管放大電路的集電極輸出信號觸發(fā)照相機同步拍攝。
3.利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)、搭建三維測量系統(tǒng)； (2)、對三維測量系統(tǒng)進行校準； (3)、建立關(guān)于灰度級修正非線性畸變的查找表； (4)、生成含有基頻與高頻的結(jié)構(gòu)光掃描圖片，并利用查找表對生成的結(jié)構(gòu)光掃描圖片進行預(yù)先修正，得到用于三維測量的圖片； (5 )、掃描被測物體并同步抓取含有物體信息的圖片數(shù)據(jù)； (6)、將得到的掃描圖片數(shù)據(jù)通過計算，生成三維點云坐標并顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:搭建三維測量系統(tǒng)的具體步驟為: (1)、放置標靶于攝像頭能夠捕捉的范圍，投影機射出的光照能夠覆蓋掃描的范圍； (2)、打開照相機設(shè)置界面，合理設(shè)置照相機的曝光時間以及觸發(fā)模式，保證照相機與投影機處于同步狀態(tài)； (3)、在確保照相機焦距處于最佳狀態(tài)，實時檢測在白光照射下，拍攝到的圖像中是否產(chǎn)生上溢或者下溢，若有上溢或者下溢的現(xiàn)象，則要適當(dāng)調(diào)整照相機光圈，以保證照相機處于最理想的拍攝狀態(tài)，并重復(fù)進行上述過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:步驟(2)中為保證照相機與投影機處于同步狀態(tài)，所采用的觸發(fā)模式為同步觸發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:對三維測量系統(tǒng)進行校準的具體步驟為: (I )、先導(dǎo)入預(yù)先通過測量標靶并計算得到的N (N > 6)組圓心三維點坐標，然后從照相機拍攝的圖像中獲取標靶在照相機中的圖像，并依次選取標靶每個面上方框的四個角點坐標；` (2)、采用透視投影矩陣的方法對畸變的圖案進行校正映射，具體轉(zhuǎn)換公式如下所示，并應(yīng)用雙線性插值法或者最鄰近插值法對校正后的圖案進行插值，使得圖案被修正并達到較好的效果；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:建立關(guān)于灰度級修正非線性畸變的查找表的具體步驟: (1)、生成從O到255的灰度級純色圖像，設(shè)置灰度級圖像掃描的重復(fù)次數(shù)，掃描一個表面并抓取數(shù)據(jù)；(2)、將抓取到的相同灰度級的圖案求平均值，并把平均后的圖像數(shù)據(jù)按公式(i)規(guī)范化；
8.根據(jù)權(quán)利要求3或7所述的利用查找表修正非線性畸變的快速三維測量方法，其特征在于:將得到的掃描圖片數(shù)據(jù)通過計算，生成三維點云坐標并顯示的具體步驟為: 根據(jù)得到的掃描數(shù)據(jù)通過計算，得到三維點云坐標，計算公式如下:
【文檔編號】G01B11/25GK103727898SQ201410027057
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】劉凱, 王帥軍, 胡子陽 申請人:成都天拓眾成科技有限公司