[发明专利]一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法

说明书

本发明涉及一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法。本发明所提供的一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法，根据被测对象表面反射率的分布，计算得出若干个最优的投射亮度；在扫描时系统采用预计算得出的若干个最优的亮度投射若干组条纹图案，相机拍摄后，再将此若干组不同亮度的条纹图像进行融合，最后对融合后的高动态条纹图像解相、求解三维坐标和表面重建，最终还原被测对象的三维形貌。该方法能够适用高反光表面工件甚至复杂的未知场景的三维扫描，无需依赖经验，减少人为干预，提高系统的智能性。

技术领域

本发明涉及光学三维测量方法，特别是涉及一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法。

背景技术

结构光三维扫描技术是一类高精度的光学三维测量技术。近年来，随着数字投影技术的不断发展，基于数字条纹投影的结构光三维扫描技术以非接触式、全场扫描、高分辨率等优势被广泛应用于工业制造、医疗、娱乐以及文物保护等领域。然而，在扫描一些表面反射率变化较大的对象时，仍然存在问题，即反射率大的区域因太亮导致相机图像饱和，而反射率小的区域则太暗导致相机不能成像。投射在这些区域的条纹图案将无法被正确解算，最终难以扫描这些区域。

针对这一问题，专利CN101694375A公开了一种将亮暗条纹投射与多曝光时间采集图像相结合以合成高动态范围条纹图像的方法，其能够实现金属等强反射表面三维形貌测量。但这类采用多曝光时间的方法对于未知场景，通常无法在测量初期直接确定所需的光源强度、曝光次数和每次曝光的时间，一般依赖于经验或尽可能曝光多次，具有一定的盲目性，测量效率不高。专利CN104019767A公开了一种利用灰度直方图的波峰和波谷来估算被测对象所需的曝光次数和最佳曝光时间的方法，据此对被测对象分别进行曝光，然后将不同的最佳曝光时间下拍摄的条纹图像进行融合，最终恢复被测对象的三维形貌。然而，对于一些复杂的场景，如果利用灰度直方图不能呈现出明显的波峰和波谷，则该方法将不能准确的扫描被测对象的三维形貌。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法，其能够根据被测对象表面反射率的分布，预测几个最优的投射亮度。该方法能够适用高反光表面工件甚至复杂的未知场景的三维扫描，无需依赖经验，减少人为干预，提高系统的智能性。

其通过以下技术方案实现：

一种用于高反光表面工件的结构光三维扫描方法，包括以下步骤：

S1：向被测对象投射一幅白光图案，并相应拍摄被测对象的白光图像I；

S2：将白光图像I中每个像素的灰度值划分为k个集合S＝{S₁,S₂,...,S_k}，计算k个集合的质心C＝{C₁,C₂,...,C_k}；

S3：计算每个像素的灰度值与其对应质心C的误差平方和SSE；

S4：k值递增1，重复步骤S2-S3，直至步骤S3计算得到的误差平方和SSE急剧下降并出现拐点，则拐点处的k值为最优投射亮度的数量；

S5：向被测对象投射一系列亮度不同的白光图案L＝{L₁,L₂,...,L_n}，并相应拍摄被测对象的白光图像I＝{I₁,I₂,...,I_n}；

S6：根据不同亮度的白光图案L＝{L₁,L₂,...,L_n}和白光图像在k个质心位置的灰度值计算被测对象的表面反射率r^c和环境光强a^c；并根据被测对象的表面反射率r^c和环境光强a^c，计算相机图像平面k个质心位置的最佳投射亮度值