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利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法
【专利摘要】本发明涉及数字图像和三维数据处理【技术领域】，具体涉及一种利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法，包括搭建三维测量系统；对三维测量系统进行校准；建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表；生成含有基频与高频的结构光扫描图片，并利用查找表对生成的结构光扫描图片进行预先修正，得到用于三维测量的图片；扫描被测物体并同步抓取含有物体信息的图片数据；将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示。本发明采用预先校准得到一个关于灰度级修正非线性畸变的查找表，利用查找表对生成的结构光扫描图片数据进行灰度级修正，不仅可以有效地克服投影机非线性(也称为伽马(Gamma))的影响，也解决了在测量的过程中会出现的像素值上溢与下溢的问题。
【专利说明】利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字图像和三维数据处理【技术领域】，具体涉及一种利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]光学三维测量分为被动三维测量与主动三维测量两类。被动三维测量技术不需要结构光照明，直接从一个或者多个摄像系统获取二维图像，根据视差等信息提取三维信息。被动测量的关键在于使用相关算法从不同图像中找到对应点，这种方法虽然硬件结构简单，但是仅适合用于对被测物体细节要求不高的场合，在工业测量领域中应用较少。主动三维测量技术采用不同的投射装置向被测量的物体投射不同种类的结构光，并同步拍摄经被测物体表面调制而发生形变的结构光图像，然后通过从携带有物体形貌的图像中解码计算出被测物体的三维形貌数据。主动测量技术中，结构光三维测量技术发展极为迅速，上世纪八十年代，德国率先开始对面结构光三维测量技术进行研究。结构光三维测量系统通常采用CCD照相机，投影机，以及计算机，测量过程包括系统标定，数据扫描以及三维点云计算ο
[0003]近两年来,微软推出了 Kinect体感摄像头,华硕公司的Xtion PRO LIVE, Mac的体感控制器制造公司Leap公司的Leap Motion以及ToF摄像头，虽然这些摄像头都可以直接获取三维数据，但是数据精度差，扫描数据结果受物体表面材质影响大，以及需要后期开发摄像头的相关应用程序才能使用，很不方便。上述测量系统在测量精度，测量稳定性和工业设计上还存在如下缺点:
[0004](I)系统使用物理光栅，对光栅投影装置内控制系统的精度和光栅片的制作工艺有很高的要求，包括2010年微软推出的Kinect for Windows等类似设备；
[0005](2)仅能测量三维形貌数据，无法获取物体表面的彩色纹理，应用领域受到限制；
[0006](3)采用商业投影机作为主动光源，三维重建表面具有很大的波纹，需要较多的扫描图片才能够削弱，扫描数据多且扫描时间长。
[0007]而且上述测量系统中，都没有对系统进行非线性修正，而是采用大量的多频率的扫描图片，对非线性畸变进行抑制。测量系统中所用的投影机主要分为两类——商业投影机和无非线性畸变的投影机，商业投影机为了达到较好的视觉效果，制造商加入了一组伽马值，但是用于三维测量时，三维重建表面具有很大的波纹，影响测量精度；若加大扫描图片数量，就会增加时间开销。另外一种无非线性畸变的投影机，主要特点是亮度低，造价昂贵，仅适合用于科研。同时，在抓取图片的过程中，无论是商业投影机还是无非线性畸变的投影机都会出现部分像素值发生上溢或者下溢的现象，并且没有一种有效地方法能够同时抑制投影机非线性畸变与像素值的上溢和下溢。

【发明内容】

[0008]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法，利用预先校准得到的查找表不仅解决了投影机非线性畸变的问题，而且也克服了照相机上溢和下溢的问题。
[0009]为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案:
[0010]利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统，包括投影机、照相机、计算机及用于三维校准的标靶，所述标靶置于照相机能够捕捉且投影仪射出的光也能够覆盖的范围，所述计算机分别与投影机和照相机进行信号传输，还包括用于控制照相机与投影机同步开启的触发电路，所述同步触发电路采用NPN三极管放大电路，计算机VGA管脚的控制输出端分别与投影机和三极管放大电路的基极连接，三极管放大电路的集电极再与照相机连接。
[0011]上述利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统中，从计算机VGA管脚的控制输出端出来的信号触发投 影机工作，同时该信号也作为场同步信号作用于三极管放大电路的基极，当场同步信号发生变化后，三极管放大电路的集电极输出信号触发照相机同步拍摄。
[0012]利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，包括以下步骤:
[0013](I)、搭建三维测量系统；
[0014](2)、对三维测量系统进行校准；
[0015](3)、建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表；
[0016](4)、生成含有基频与高频的结构光扫描图片，并利用查找表对生成的结构光扫描图片进行预先修正，得到用于三维测量的图片；
[0017](5)、扫描被测物体并同步抓取含有物体信息的图片数据；
[0018](6)、将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示。
[0019]上述利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法中，搭建三维测量系统的具体步骤为:
[0020](I)、放置标靶于摄像头能够捕捉的范围，投影机射出的光照能够覆盖扫描的范围；
[0021](2)、打开照相机设置界面，合理设置照相机的曝光时间以及触发模式，保证照相机与投影机处于同步状态；
[0022](3)、在确保照相机焦距处于最佳状态，实时检测在白光照射下，拍摄到的图像中是否产生上溢或者下溢，若有上溢或者下溢的现象，则要适当调整照相机光圈，以保证照相机处于最理想的拍摄状态，并重复进行上述过程。
[0023]上述利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法中，步骤(2)中为保证照相机与投影机处于同步状态，所采用的触发模式为同步触发。
[0024]上述利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法中，对三维测量系统进行校准的具体步骤为:
[0025](I)、先导入预先通过测量标靶并计算得到的N(N ^ 6)组圆心三维点坐标，然后从照相机拍摄的图像中获取标靶在照相机中的图像，并依次选取标靶每个面上方框的四个角点坐标；
[0026](2)、采用透视投影矩阵的方法对畸变的图案进行校正映射，具体转换公式如下所示，并应用双线性插值法或者最邻近插值法对校正后的图案进行插值，使得图案被修正并达到较好的效果；
【权利要求】
1.利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统，包括投影机、照相机、计算机及用于三维校准的标靶，所述标靶置于照相机能够捕捉且投影仪射出的光也能够覆盖的范围，所述计算机分别与投影机和照相机进行信号传输，其特征在于:还包括用于控制照相机与投影机同步开启的触发电路，所述同步触发电路采用NPN三极管放大电路，计算机VGA管脚的控制输出端分别与投影机和三极管放大电路的基极连接，三极管放大电路的集电极再与照相机连接。
2.根据权利要求1所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统，其特征在于:从计算机VGA管脚的控制输出端出来的信号触发投影机工作，同时该信号也作为场同步信号作用于三极管放大电路的基极，当场同步信号发生变化后，三极管放大电路的集电极输出信号触发照相机同步拍摄。
3.利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)、搭建三维测量系统； (2)、对三维测量系统进行校准； (3)、建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表； (4)、生成含有基频与高频的结构光扫描图片，并利用查找表对生成的结构光扫描图片进行预先修正，得到用于三维测量的图片； (5 )、扫描被测物体并同步抓取含有物体信息的图片数据； (6)、将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示。
4.根据权利要求3所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:搭建三维测量系统的具体步骤为: (1)、放置标靶于摄像头能够捕捉的范围，投影机射出的光照能够覆盖扫描的范围； (2)、打开照相机设置界面，合理设置照相机的曝光时间以及触发模式，保证照相机与投影机处于同步状态； (3)、在确保照相机焦距处于最佳状态，实时检测在白光照射下，拍摄到的图像中是否产生上溢或者下溢，若有上溢或者下溢的现象，则要适当调整照相机光圈，以保证照相机处于最理想的拍摄状态，并重复进行上述过程。
5.根据权利要求4所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:步骤(2)中为保证照相机与投影机处于同步状态，所采用的触发模式为同步触发。
6.根据权利要求4所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:对三维测量系统进行校准的具体步骤为: (I )、先导入预先通过测量标靶并计算得到的N (N > 6)组圆心三维点坐标，然后从照相机拍摄的图像中获取标靶在照相机中的图像，并依次选取标靶每个面上方框的四个角点坐标；` (2)、采用透视投影矩阵的方法对畸变的图案进行校正映射，具体转换公式如下所示，并应用双线性插值法或者最邻近插值法对校正后的图案进行插值，使得图案被修正并达到较好的效果；
7.根据权利要求6所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表的具体步骤: (1)、生成从O到255的灰度级纯色图像，设置灰度级图像扫描的重复次数，扫描一个表面并抓取数据；(2)、将抓取到的相同灰度级的图案求平均值，并把平均后的图像数据按公式(i)规范化；
8.根据权利要求3或7所述的利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，其特征在于:将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示的具体步骤为: 根据得到的扫描数据通过计算，得到三维点云坐标，计算公式如下:
【文档编号】G01B11/25GK103727898SQ201410027057
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】刘凯, 王帅军, 胡子阳 申请人:成都天拓众成科技有限公司