[發(fā)明專利]一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110372335.6
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113091647B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林輝;韓竺秦;龍迎春;蘇祖全;劉穎慧
• 申請（專利權(quán)）人: 韶關(guān)學(xué)院
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G01B11/00
• 代理公司: 廣州駿思知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44425
• 代理人: 程毅

本發(fā)明涉及一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法。本發(fā)明所提供的一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，根據(jù)被測對象表面反射率的分布，計算得出若干個最優(yōu)的投射亮度；在掃描時系統(tǒng)采用預(yù)計算得出的若干個最優(yōu)的亮度投射若干組條紋圖案，相機(jī)拍攝后，再將此若干組不同亮度的條紋圖像進(jìn)行融合，最后對融合后的高動態(tài)條紋圖像解相、求解三維坐標(biāo)和表面重建，最終還原被測對象的三維形貌。該方法能夠適用高反光表面工件甚至復(fù)雜的未知場景的三維掃描，無需依賴經(jīng)驗，減少人為干預(yù)，提高系統(tǒng)的智能性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)三維測量方法，特別是涉及一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)是一類高精度的光學(xué)三維測量技術(shù)。近年來，隨著數(shù)字投影技術(shù)的不斷發(fā)展，基于數(shù)字條紋投影的結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)以非接觸式、全場掃描、高分辨率等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)療、娛樂以及文物保護(hù)等領(lǐng)域。然而，在掃描一些表面反射率變化較大的對象時，仍然存在問題，即反射率大的區(qū)域因太亮導(dǎo)致相機(jī)圖像飽和，而反射率小的區(qū)域則太暗導(dǎo)致相機(jī)不能成像。投射在這些區(qū)域的條紋圖案將無法被正確解算，最終難以掃描這些區(qū)域。

針對這一問題，專利CN101694375A公開了一種將亮暗條紋投射與多曝光時間采集圖像相結(jié)合以合成高動態(tài)范圍條紋圖像的方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)金屬等強(qiáng)反射表面三維形貌測量。但這類采用多曝光時間的方法對于未知場景，通常無法在測量初期直接確定所需的光源強(qiáng)度、曝光次數(shù)和每次曝光的時間，一般依賴于經(jīng)驗或盡可能曝光多次，具有一定的盲目性，測量效率不高。專利CN104019767A公開了一種利用灰度直方圖的波峰和波谷來估算被測對象所需的曝光次數(shù)和最佳曝光時間的方法，據(jù)此對被測對象分別進(jìn)行曝光，然后將不同的最佳曝光時間下拍攝的條紋圖像進(jìn)行融合，最終恢復(fù)被測對象的三維形貌。然而，對于一些復(fù)雜的場景，如果利用灰度直方圖不能呈現(xiàn)出明顯的波峰和波谷，則該方法將不能準(zhǔn)確的掃描被測對象的三維形貌。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其能夠根據(jù)被測對象表面反射率的分布，預(yù)測幾個最優(yōu)的投射亮度。該方法能夠適用高反光表面工件甚至復(fù)雜的未知場景的三維掃描，無需依賴經(jīng)驗，減少人為干預(yù)，提高系統(tǒng)的智能性。

其通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于高反光表面工件的結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，包括以下步驟：

S1：向被測對象投射一幅白光圖案，并相應(yīng)拍攝被測對象的白光圖像I；

S2：將白光圖像I中每個像素的灰度值劃分為k個集合S＝{S₁,S₂,...,S_k}，計算k個集合的質(zhì)心C＝{C₁,C₂,...,C_k}；

S3：計算每個像素的灰度值與其對應(yīng)質(zhì)心C的誤差平方和SSE；

S4：k值遞增1，重復(fù)步驟S2-S3，直至步驟S3計算得到的誤差平方和SSE急劇下降并出現(xiàn)拐點，則拐點處的k值為最優(yōu)投射亮度的數(shù)量；

S5：向被測對象投射一系列亮度不同的白光圖案L＝{L₁,L₂,...,L_n}，并相應(yīng)拍攝被測對象的白光圖像I＝{I₁,I₂,...,I_n}；

S6：根據(jù)不同亮度的白光圖案L＝{L₁,L₂,...,L_n}和白光圖像在k個質(zhì)心位置的灰度值計算被測對象的表面反射率r^c和環(huán)境光強(qiáng)a^c；并根據(jù)被測對象的表面反射率r^c和環(huán)境光強(qiáng)a^c，計算相機(jī)圖像平面k個質(zhì)心位置的最佳投射亮度值