[发明专利]一种基于偏振原理的高反物体表面高光去除方法

权利要求书

1.基于偏振原理的高反物体表面高光去除方法，其特征包括：

（1）建立一个基于结构光原理的偏振测量系统，包括CCD相机，条纹投影仪，偏振装置，具有高反射率表面的物体；

（2）投影仪向物体表面投影单色条纹作为三维测量方法中物体表面重要的表面信息，偏振片放置于相机镜头前，与相机、投影仪设置在同一高度平面上，确保光心一致；

（3）旋转偏振片的角度，获取多偏振角度下的相机成像，调制相机的曝光时间，获取多个曝光时间下的偏振图像；

（4）使用提出的算法处理偏振图像实现图像高光的削弱和图像信噪比的提升，处理多曝光图像实现表面信息的恢复，所述的偏振图像与多曝光图像的获取与处理由以下步骤确定：

1）按照最优偏振的原理获取偏振图像，在自然光照下，高反射率表面上易产生镜面反射，导致物体表面的成像中出现高光区域，在反射光中镜面反射分量中的偏振量要远大于漫反射光的偏振量，因此削弱高光的关键是抑制或消除镜面反射光分量，故引入光的偏振特性原理来实现高光的削弱，R_S为反射光， R_f为折射光，E_S为入射光，α为入射光角度，λ为折射光角度，n1、n2分别为空气和物体的折射率，p₁、p_1*、p₂则是各光线本身的偏振方向分量，则有菲涅尔公式：

(1)

(2)

根据公式，反射光R_S是偏振光，其偏振状态取决于入射角α和物体的法线方向，当α+λ为90°时，即反射角和折射角互余，反射光R_S为线偏振光，可被线偏振片完全滤除，因此将入射角α称为最优偏振角度，最优偏振角的选取取决于入射角的大小，而在照明环境确定的情况下，入射角和物体表面法线方向，即曲率，因此，在对具有不规则表面的物体进行拍摄时，无法确定唯一一个最优偏振角，需要根据各区域的不同的曲率确定多个角度；

2）按照最大不饱和原理合成多偏振图像，其算法原理如下：

(3)

其中为像素点的灰度值，n为偏振角度编号，i,j为像素点坐标，按照图像格式设置灰度值阈值，比较图像中所有像素的灰度值，大于阈值的像素被标记为饱和像素，不用于图像合成，比较多张图像中同一坐标的像素的灰度值，选出最大灰度值，多张图像中同一坐标的像素的灰度值被确定为灰度阈值下的最大值，该像素被称为最大不饱和像素，由此，该算法将多偏振图片合成为最大不饱和图片；

3）按照相机响应的原理获取多曝光时间下的图像，其原理如下：相机响应函数是相机在实际成像过程中所受到的各种线性与非线性关系的总和，用于表示采集图像亮度值与真实场景辐照度之间的映射关系，具有固有性、非线性、光滑连续性以及单调性，该函数模拟了图像获取处理过程中的非线性影响，如非线性动态范围的压缩与量化，在成像系统中，单位曝光时间条件下图像的辐照度和场景的辐射度之间的关系可以表示为：

(4)

式中E为图像辐照度,L为场景辐射度，h为镜头的焦距，d为光圈的直径，为光线和光轴的夹角，对于理想的成像系统而言，采集的辐照度值应该是I=E×t，t为曝光时间，则理想的系统的辐照度与场景辐射度的线性响应函数可以表示为：

(5)

式中，，，ｅ为图像的曝光量，可通过改变光圈大小和曝光时间长短加以改变，通过成像光学系统采集的数字图像亮度值M与辐照度值I之间的关系可以表示为：，f为成像系统的相机响应函数；

4）提出归一化加权算法，合成多曝光图像恢复高光区域条纹图案，该算法原理如下：

(6)

其中n为曝光次数，i，j为像素的坐标， 为第k次曝光该坐标像素点的灰度值，为对应像素点的权重，将n张图片中同一坐标像素点的灰度值求和得到灰度值总和，单个像素的灰度值 与灰度总和相除得到对应的像素权重，可以看出，曝光时间越短，灰度值越小，相对应的权重越小，将各像素的灰度值与其对应的像素权重相乘并求和，得到最终确定的灰度值，从而得到最终的合成图像。