[发明专利]一种用于提取强反射表面几何特征的高动态范围成像方法

说明书

本发明公开了一种用于提取强反射表面几何特征的高动态范围成像方法，采用由DMD、CCD、第一、二透镜组和处理器构成的DMD相机；被测强反射表面经DMD编码调制后在CCD中成像；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；设计自适应光强编码控制算法，通过坐标匹配与映射生成相应的DMD掩模，导入至DMD中完成对相应区域的入射光线进行有效衰减。依次迭代，直至最终获得的编码图像完整清晰。最后，将编码图像根据实际衰减光强情况，重构出其高动态范围图像，并利用色调映射技术清晰显示，从而达到了自适应高动态范围成像的目标。本方法可从解决强反射表面的三维几何特征测量中因局部过曝光造成的几何特征难以有效提取的问题。

技术领域

本发明属于机械测试领域，涉及一种强反射表面的几何特征提取方法，尤其涉及一种适用于强反射表面的自适应高动态范围成像方法。

背景技术

在结构光三维扫描测量中，被测物的表面反射特性极大地影响测量效果，被测强反射表面因编码结构光照射后易产生局部镜面反射的特性，反射光强动态范围可高达10⁶，远超过普通8bit工业数字相机的成像动态范围，引起相机曝光饱和，从而导致其图像中常伴有高亮光、眩光等光斑现象，淹没了所要检测的表面几何特征信息，根本原因是光学成像动态范围带宽不够。目前，有时会采用喷涂被测物表面，改变表面反射特性，压窄动态范围，消除高光影响方式，对宏观几何尺寸进行测量；但对于轮廓、缺陷等表面结构，喷涂会掩盖原表面形貌等几何特征，无法精确测量；更重要的是绝大部分精加工制造产品是不允许进行表面接触和喷涂的。此外，也会采用多次曝光法进行强反射面测量，每次曝光在一段动态范围内成像，利用相机获取一系列不同曝光时间的图像，将这些亮度不同的图像运用图像处理算法融合成具有高动态范围的单幅图像，使原高光亮区域不饱和，但其高动态范围图像的拼接和边界效应可能影响测量精度。多次曝光法适宜静态物体和稳定环境，而工业现场往往会存在不可预测的复杂变化，致使每次曝光时，叠加进场景的动态变化，导致图像中出现伪影、重叠等现象，严重地影响测量精度，同时测量效率也大打折扣。

近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的快速发展与应用，出现了新兴的计算成像技术，为解决强反射表面的三维几何参数提取问题提供了新的机遇与可能。计算成像结合了计算机与相机的优势，通过计算机控制不同类型的空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)以实现对入射光线的精确调制，从而获得更加理想的视觉图像。因此，基于计算成像的测量系统具有更加灵活多样的视觉空间范围、更宽的成像动态范围、更快的测量速度和更高的测量精度和测量效率等优势。

发明内容

为突破传统相机动态范围带宽不足的固有限制，本发明设计了一种新型的计算型相机——DMD相机，并利用该相机具有能灵活地对光线时间信息和空间信息调制的成像优势，提出了一种自适应高动态范围成像方法，实现了对强反射表面几何特征的有效提取。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于提取强反射表面几何特征的高动态范围成像方法，其中，所用的成像系统为由数字微镜器件DMD、电荷耦合元件CCD、第一透镜组、第二透镜组和处理器构成的线性空间不变的DMD相机；所述数字微镜器件DMD形成一DMD像平面，所述电荷耦合元件CCD形成一CCD像平面，所述DMD像平面与所述CCD像平面平行；所述第一透镜组是变焦透镜组，所述第一透镜组处于由所述数字微镜器件DMD和电荷耦合元件CCD之间所形成的主光轴上，所述第一透镜组用以将DMD像平面所成的像完整投影到CCD像平面，所述数字微镜器件DMD中的每一个微镜与电荷耦合元件CCD中的每一个像元一一对应；所述第二透镜组是一个定倍成像物镜，用以将被测强反射表面完整成像在所述DMD像平面上，从而确定DMD相机的视场范围和工作距离；所述数字微镜器件DMD、第二透镜组和被测强反射表面三者之间的位置关系满足斜置场面成像条件，被测强反射表面与DMD像平面相对于第二透镜组互为共轭；所述主光轴与所述第二透镜组所在光轴之间的夹角为24°，上述数字微镜器件DMD、电荷耦合元件CCD、第一透镜组和处理器组成一光电反馈系统；该方法包括以下步骤：