[发明专利]一种适用于强反射表面的三维扫描测量装置及方法

权利要求书

1.一种适用于强反射表面的三维扫描测量方法，其中，所使用的三维扫描测量装置包括DMD相机、数字投影设备DLP4500和计算机，所述DMD相机和数字投影设备DLP4500按照交叉无约束放置，所述DMD相机与所述数字投影设备DLP4500的光心连线夹角在20°～45°之间；所述DMD相机和数字投影设备DLP4500可实现同步触发，所述DMD相机、数字投影设备DLP4500和计算机组成一光电反馈系统A；所述DMD相机是一个由数字微镜器件DMD、CMOS图像探测器、TIR棱镜、第一透镜组(1)、第二透镜组(2)和处理器构成的线性空间不变的DMD相机；所述第一透镜组(1)是变焦透镜组，所述第二透镜组(2)是一个定倍成像物镜；所述数字微镜器件DMD形成一DMD像平面，所述CMOS图像探测器形成一CMOS像平面，所述DMD像平面与所述CMOS像平面垂直；所述第一透镜组(1)处于由被测物、所述数字微镜器件DMD和所述TIR棱镜之间所形成的成像光轴上，所述第一透镜组(1)用以将被测物所成的像完整投影到所述DMD像平面；所述第二透镜组(2)处于由所述TIR棱镜和所述CMOS图像探测器之间所形成的反射成像光轴上，用以将所述DMD像平面所成的像经所述TIR棱镜发生内全反射后完整投影到所述CMOS像平面；所述数字微镜器件DMD中的每一个微镜与所述CMOS图像探测器中的每一个像元一一对应；所述数字微镜器件DMD、CMOS图像探测器、第二透镜组(2)和处理器组成一光电反馈系统B；其特征在于，

该三维扫描测量方法包括以下步骤：

步骤一：采用四步相移法，数字投影设备DLP4500向被测强反射表面依次投射不同相位的正弦光栅图案，所述强反射表面是指类镜面或亮面的非漫反射表面或者无规则散射的非漫反射表面；利用DMD相机，实现对入射光线的自适应高动态范围成像，最终获得清晰的待测量图像，包括：

步骤1-1、将所述数字微镜器件DMD中所有的微镜打开，被测强反射表面反射光线进入所述的DMD相机成像，并得到原始图像I₀(x,y)；利用最大类间方差法判别原始图像I₀(x,y)中是否存在过饱和区域；若原始图像I₀(x,y)中不存在过饱和区域，所述原始图像I₀(x,y)即为CMOS图像探测器最终获取的完整清晰图像I_i(x,y)，则执行步骤1-4；若原始图像I₀(x,y)中存在过饱和区域，执行步骤1-2；

步骤1-2、将上述的原始图像I₀(x,y)作为处理图像，经所述数字微镜器件DMD编码调制后在CMOS图像探测器中成像，从而得到编码图像；步骤如下：

步骤1-2-1、利用自适应光强编码控制算法，通过数字微镜器件DMD与CMOS图像探测器之间的坐标匹配与映射关系生成DMD掩模，并将该DMD掩模导入至数字微镜器件DMD中完成对处理图像中存在的过饱和区域的入射光线进行有效衰减；包括：

步骤1-2-1-1、分割与判别：设定CMOS图像探测器所采集的处理图像的像素饱和值V_s小于255，且该像素饱和值V_s用于作为图像分割的阈值以判别该处理图像中的过饱和区域；如果该处理图像中存在过曝光区域，则执行步骤1-2-1-2；否则，执行步骤1-4；

步骤1-2-1-2、提取与映射：用Sobel算子检测经过上述分割后的图像的边缘，从而提取出分割后的图像中的过饱和区域O_c(x,y)；数字微镜器件DMD与CMOS图像探测器的映射关系为：

U＝R·X

式中，U和X分别代表DMD像平面和CMOS像平面对应映射点的齐次坐标，R是一个3×3的非齐次单应矩阵；按照下式计算DMD掩模所对应的区域O_d(u,v)：

O_d(u,v)＝R·O_c(x,y)

步骤1-2-1-3、DMD掩模设计：在线性空间不变的DMD相机中，设DMD掩模的调制函数M_i(u,v)与所述DMD掩模对应的CMOS图像探测器的图像I_i(x,y)的关系如下：

式中，α和β都是光强衰减因子，V_c是一均匀亮度值，其取值为0～100；C是常数且0<C≤255；从而根据上述调制函数M_i(u,v)生成一个DMD掩模；(u,v)表示DMD像平面上的任意一点，其与CMOS像平面上的某一点(x,y)相对应；

最后，将上述生成的DMD掩模导入到所述数字微镜器件DMD中，得到编码图像；

步骤1-3、利用最大类间方差法判别编码图像中是否存在过饱和区域；若编码图像中不存在过饱和区域，所述编码图像即为CMOS图像探测器最终获取的完整清晰图像I_i(x,y)，则执行步骤1-4；若编码图像中存在过饱和区域，将该编码图像作为处理图像，返回步骤1-2-1；

步骤1-4、高动态范围图像重构：根据CMOS图像探测器最终获取的完整清晰图像I_i(x,y)的灰度值V_hdr(x,y)和DMD掩模的调制函数M_i(u,v)，按照下述表达式重构出高动态场景的实际光强函数I_hdr(x,y)，

步骤1-5、色调映射：采用对比度受限自适应直方图均衡化算法增强上述高动态场景的局部细节，在低动态范围的显示设备中将上述高动态场景显示出，记作待测量图像；

步骤二：利用基于光栅投影的相位法实现对待测量图像的三维测量；包括：

步骤2-1、基于DMD相机的三维扫描测量装置的标定：

DMD相机的标定：DMD相机依次采集十幅不同角度的棋盘格标定图像，采用张正友相机标定法解算出DMD相机的内部参数和外部参数；由DMD相机像平面上的点与空间物体点之间关系：

其中，s为尺度因子，(u^c,v^c,1)是DMD相机中的图像上任意点的二维齐次坐标，(x^w,y^w,z^w,1)是其对应点的齐次三维坐标，A_c是DMD相机的内部参数矩阵，(R_cT_c)是DMD相机的外部参数，根据上述DMD相机的内部参数矩阵和外部参数计算出棋盘格角点的世界坐标；

数字投影设备DLP4500的投射模型如下：

其中：s为尺度因子,是棋盘格角点的世界坐标(x,y,z,1)；A_p是数字投影设备DLP4500的内部参数矩阵，旋转矩阵R_p、平移矩阵T_p均是数字投影设备DLP4500的外部参数矩阵；是数字投影设备DLP4500的内部参数矩阵；

将根据公式(1)得到的所述棋盘格角点的世界坐标代入至公式(2)，得到数字投影设备DLP4500的旋转矩阵R_p、平移矩阵T_p和内部参数矩阵

步骤2-2、格雷码编码与相位解算：采用二进制格雷码编码图案，其中，用黑条纹表示逻辑值0，白条纹表示逻辑值1，由n幅不同频率且灰度呈交替规律变化的黑白光栅图获得n比特的格雷码，将格雷码编码图案分为2ⁿ个区域；

向被测强反射表面投射原二进制格雷码的反码图像，将正反格雷码转换为十进制数值后采用相位解算求解出2ⁿ个区域所对应包裹相位的周期数，即得到全部相位场的绝对相位，其中，被测强反射表面上的任意相位点的绝对相位值表示为

步骤2-3、点云获取：根据被测强反射表面上的任意相位点的绝对相位值表示为及提取出被测强反射表面所在待测量图像中的像素坐标(m,n)，最终测量出被测强反射表面的三维坐标。