基于投影柵相位法的強(qiáng)反射物體高動態(tài)三維測量

關(guān)鍵詞：投影柵相位法；多曝光圖像融合；強(qiáng)反射；高動態(tài)；三維重建

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0114-03

0 引言

投影柵相位法三維重構(gòu)是通過投影儀在所測元件表面投影出調(diào)制的條紋[1]，基于計算機(jī)圖像處理對在元件表面上由于元件輪廓變化發(fā)生形變的光柵條紋圖，核心原理是通過投影儀在采集環(huán)境中根據(jù)圖像灰度值自動調(diào)整亮度，使相機(jī)拍攝到的圖像像素點(diǎn)灰度值分布均勻，從而計算得出準(zhǔn)確的三維重構(gòu)點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)[2]。國外有研究學(xué)者通過基于自適應(yīng)算法對圖像中漏光與暗部進(jìn)行檢測后調(diào)整亮度[3]，從而得到成像效果好的條紋圖，方法的不足之處是條紋圖像是基于全局搜索匹配生成，導(dǎo)致圖像中每一個像素點(diǎn)的值不能精確調(diào)控，數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜。傳統(tǒng)多曝光融合技術(shù)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)光重建中是基于動態(tài)圖像融合的方式，通過實驗控制相機(jī)的曝光時長與調(diào)整光圈范圍得到條紋亮度不同的圖像，再篩選出對重構(gòu)測量有用的條紋圖像，在形貌重構(gòu)時選取每張圖中位置相同的像素點(diǎn)，同時要求這一像素點(diǎn)的灰度值在最高同時無飽和現(xiàn)象。雖然多曝光圖像融合在一定程度上消除元件強(qiáng)反射特性帶來的失真問題[4]，但在得到亮度不同的條紋圖像過程中，需要人工調(diào)整采集參數(shù)，參數(shù)調(diào)整工作計算量過大，降低實驗效率。同時融合后的圖像依舊有過曝點(diǎn)存在，對原本暗沉區(qū)域的增益效果并不突出，對元件的重構(gòu)后結(jié)果依舊有較大誤差。

1 多曝光圖像融合研究內(nèi)容

灰度值的測量區(qū)間由得到系統(tǒng)灰度響應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)所確定，由像素灰度值與圖像曝光時間的變換關(guān)系擬合得出目標(biāo)函數(shù)[5]，根據(jù)函數(shù)關(guān)系得出所需的拍攝曝光時間與圖像數(shù)量，同時由目標(biāo)函數(shù)得出相機(jī)拍攝照明亮度的區(qū)間，分別對在不同相機(jī)曝光時間下的成圖使用白光照射制成掩模圖，通過以上得到的條紋圖與基于投射無條紋圖產(chǎn)生掩模圖的元素向量進(jìn)行矩陣乘法疊加變換，在把矩陣乘法變換得到的條紋圖以序列方式疊加后并進(jìn)行歸一化處理，使用伽馬函數(shù)對其進(jìn)行暗部處理后進(jìn)行灰度值還原，得到適用于三維重建的條紋圖像，通過相位解算和參數(shù)標(biāo)定得到目標(biāo)物的三維點(diǎn)云[6]，重建流程如圖1所示。

文中所確定元件在重構(gòu)過程中的主要參數(shù)有灰度值與相機(jī)曝光的測量區(qū)間、相機(jī)擬合目標(biāo)函數(shù)、相機(jī)曝光的時間與曝光次數(shù)、掩模制作、掩模圖像與條紋圖像序列相乘后進(jìn)行線性變換、灰度值歸一化處理、和伽馬變換及灰度值還原具體包括[7]：

2 實驗內(nèi)容

本文實驗所需的測量裝置包括一臺計算機(jī)，一臺投影儀，一臺工業(yè)CCD相機(jī)（CMOS）。實驗測量對象為具有強(qiáng)反射表面的標(biāo)準(zhǔn)塊參照塊、實體1和實體2三種具有代表特征的零件。選擇的曝光時間以及各參數(shù)如表1所示。融合后的圖像如圖2所示，重建結(jié)果如圖3所示。其余參數(shù)均為默認(rèn)設(shè)置。

3 討論

本研究主要以確定灰度值與相機(jī)曝光的測量區(qū)間、相機(jī)擬合目標(biāo)函數(shù)、相機(jī)曝光的時間與曝光次數(shù)、掩模制作、掩模圖像與條紋圖像序列相乘后進(jìn)行線性變換、灰度值歸一化處理和伽馬變換及灰度值還原，從圖2、圖3來看，融合后的圖像相位信息被較好在保存下來，對象表面三維數(shù)據(jù)被完整恢復(fù)出來。由上可見，與現(xiàn)有融合技術(shù)相比，本研究具有以下增益效果：

1） 有效解決傳統(tǒng)多曝光融合技術(shù)由于融合產(chǎn)生新的過曝區(qū)域的不足。

2） 選擇合適的系數(shù)可以提高條紋圖像暗處的灰度值，保留了后續(xù)重建時暗處的細(xì)節(jié)。

本研究可應(yīng)用于強(qiáng)反射物體的三維測量，擴(kuò)大了結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的適用范圍。