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CN106996754A - 一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法 - Google Patents

一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法 Download PDF

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CN106996754A CN201710121767.3A CN201710121767A CN106996754A CN 106996754 A CN106996754 A CN 106996754A CN 201710121767 A CN201710121767 A CN 201710121767A CN 106996754 A CN106996754 A CN 106996754A
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2531—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object using several gratings, projected with variable angle of incidence on the object, and one detection device

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Abstract

本发明涉及一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法，包括：利用投影仪将计算机生成的7个具有不同频率数的正弦光栅条纹投射在三维目标物体表面；参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，分别获取对应的7个畸变条纹；利用傅里叶变换在频域中分别提取7对畸变条纹和参考条纹的基频分量，得到在空间中连续分布的解压相位；建立起投影仪和相机之间的像素匹配；将相机分别采集的7个畸变图像作为处理前的图像，通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在物体表面；对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的7个自适应照明图像结果进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。

Description

一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法
技术领域
本发明涉及一种自适应照明优化方法，属于自适应光学领域。
背景技术
对于8-bit数字相机，当被测场景有高反射率和低反射率的不同部分时，采集得到的图像只包含8-bit有限的像素信息，如果增加曝光使得低反射率的部分清晰，而高反射率的部分则变得饱和；反之，如果减少曝光使得高反射率的部分清晰，而低反射率的部分则变得黑暗，因此在特定照明条件下高反射或者低反射的部分会出现极亮或极暗的区域，造成像素信息的丢失，对后续的决策和执行造成极其不利的影响。
传统的方法多采用手动调节照明设备亮度的方式避免曝光过度，然而这种手动调节方式不适用于工业自动化，而且不具有普遍性。基于此，自适应照明技术在机器视觉的应用中显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可以避免不同反射表面对机器视觉决策和分析造成不利影响的自适应照明优化方法。本发明的技术方案如下：
一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法，包括下列步骤：
(1)投影幕布作为参考平面，将投影仪和相机非同轴放置在幕布的同侧，利用投影仪将计算机生成的7个具有不同频率数的正弦光栅条纹投射在三维目标物体表面，这7个正弦光栅条纹即为7种基于正弦光栅投影的自适应照明方式；
(2)参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，利用CCD相机分别获取对应的7个畸变条纹，推导出物体深度和条纹相位变化的关系；
(3)利用傅里叶变换在频域中分别提取7对畸变条纹和参考条纹的基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位；
(4)对于每一对畸变条纹和参考条纹，将解压相位代入相位和深度的转换公式中得到每一个像素点的深度值，进而得到在7个具有不同频率数正弦光栅投影的情况下目标场景的重构图，即建立起投影仪和相机之间的像素匹配；
(5)将相机分别采集的7个畸变图像作为处理前的图像，通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在三维目标物体表面，将此过程重复多次以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分，称此过程为黑暗/饱和像素数的比较过程；
(6)对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的7个自适应照明图像结果进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1>解决了8bit相机对多反射场景采集时像素丢失的弊端，避免了不同反射表面对机器视觉决策和分析造成的不利影响；
2>采用本发明的方法，投影仪根据相机的反馈在物体表面投射反比例强度的照明以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分；
3>本发明投射7个具有不同频率数的正弦光栅条纹，通过比较得到最佳的自适应照明方法，对单一的自适应照明方法进行了优化；
4>本发明结合硬件搭建和软件算法，比现有只利用算法进行照明补偿的方法具有普遍适用性，在解决相机范围限制的前提下更适用于工业生产；
5>本发明的自适应照明装置只需要CCD相机，投影仪和外界光源，而且实验平台搭建简单，满足低成本系统构建的要求。
附图说明
图1所示为本发明自适应照明的装置示意图。
图2所示为本发明中的7个具有不同频率数的正弦参考光栅图形和对应的x轴光强分：(a1)具有1个频率的正弦条纹；(a2)具有2个频率的正弦条纹；(a3)具有3个频率的正弦条纹；(a4)具有4个频率的正弦条纹；(a5)具有5个频率的正弦条纹；(a6)具有7个频率的正弦条纹；(a7)具有9个频率的正弦条纹；(b1)-(b7)对应的x轴光强分布。
图3所示为本发明在7个具有不同频率的正弦光栅投射下，利用傅里叶轮廓法得到对应的7个深度轮廓截面和目标物体真实深度截面图。
图4.(a)强照明图像；(b1)-(b4)为7种自适应照明结果图。
具体实施方法
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明；
图1所示为本发明自适应照明的装置示意图。其中，投影幕布作为参考平面，投影仪和相机采用非同轴配置，投影仪和相机之间的距离为d，投影仪到参考平面的距离为L，观测点O的深度为h。利用三角形相似原理，推导出物体深度和条纹相位变化的关系有
代表相位的变化，有
将式(2)代入式(1)中，得到
图2所示为本发明中的7个参考光栅图形和对应的x轴光强分布。将计算机生成的如图2(a1)-(a7)所示分别为
的具有7个不同频率的正弦光栅条纹通过投影仪投射在三维物体表面，参考条纹受到物体深度的调制会发生条纹畸变，通过CCD相机分别获取7个参考光栅条纹和对应的畸变光栅条纹。
图3所示为本发明在7个具有不同频率的正弦光栅投射下，利用傅里叶轮廓法得到对应的7个深度轮廓截面和目标物体真实深度截面图。利用傅里叶变换在频域中提取基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位。再结合相位-深度转化公式得到深度分布图。其中，具有2,3和4个频率的3个深度截面基本与真实物体的深度截面基本重合，因此这3个频率的投影仪和相机的像素匹配准确度较高。
图4所示为本发明在强照明下的饱和图像和利用7种自适应照明方法的结果图。在强照明条件下，高反射区域超过相机的采集范围而呈现出饱和状态，丢失像素信息。因此本发明将饱和像素数作为判断自适应照明效果的指标，对于灰度级为0-255的8-bitCCD相机，灰度级等于255的像素即为饱和像素。投影仪的反比例补光即根据相机的反馈在物体表面每一个像素点投射与物体表面光照强度成反比例的照明，通过不断的重复操作，饱和的部分恢复了像素信息。强照明条件下的原始图像和7种自适应照明结果的饱和像素数如表1所示。
表1.原始图像和自适应照明的饱和像素数
强照明图像 1个频率 2个频率 3个频率 4个频率 5个频率 7个频率 9个频率
饱和像素数 12841 1786 1539 1352 1498 1871 2345 2903
根据7个自适应照明结果图和饱和像素数的比较可知，自适应照明方法都是有效的，证明了自适应照明方法的稳定性。但是具有7和9个频率数的正弦光栅的自适应照明结果图中有一点重影的现象，而且这2种情况的饱和像素数也是最多的，说明基于7和9个频率数的正弦光栅的的自适应照明效果不是很理想。因此，当频率数大于5个时，随着频率数的增加，自适应照明的效果越来越差。基于3个频率数的自适应照明结果图很理想，而且饱和像素数也是最少的，说明基于3个频率数的正弦光栅的的自适应照明效果是最佳的。

Claims (1)

1.一种基于正弦光栅投影的自适应照明优化方法，包括下列步骤：
(1)投影幕布作为参考平面，将投影仪和相机非同轴放置在幕布的同侧，利用投影仪将计算机生成的7个具有不同频率数的正弦光栅条纹投射在三维目标物体表面，这7个正弦光栅条纹即为7种基于正弦光栅投影的自适应照明方式。
(2)参考条纹受到三维物体深度的调制会发生条纹畸变，利用CCD相机分别获取对应的7个畸变条纹，推导出物体深度和条纹相位变化的关系；
(3)利用傅里叶变换在频域中分别提取7对畸变条纹和参考条纹的基频分量，再利用逆变换将提取的基频分量转换回时域，得到在-π到π区间的折叠相位，通过相位解压算法将不连续分布的折叠相位转化成在空间中连续分布的解压相位；
(4)对于每一对畸变条纹和参考条纹，将解压相位代入相位和深度的转换公式中得到每一个像素点的深度值，进而得到在7个具有不同频率数正弦光栅投影的情况下目标场景的重构图，即建立起投影仪和相机之间的像素匹配；
(5)将相机分别采集的7个畸变图像作为处理前的图像，通过投影仪的反比例补光将处理后的图像投射在三维目标物体表面，将此过程重复多次以突出原始获取场景中的黑暗部分，遮蔽饱和的部分，称此过程为黑暗/饱和像素数的比较过程；
(6)对于每种不同的光栅投影，选出效果最好的迭代图像结果，将分别得到的7个自适应照明图像结果进行黑暗/饱和像素数的比较选出最优化的自适应照明方式。
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