[发明专利]基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描方法

说明书

一种基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描方法，每次扫描时使用具有像素级滤波器阵列的图像传感器采集单帧激光条纹图并分解为多个子图像，对每个子图像并行使用激光条纹定位算法合成最优中心坐标，以激光条纹的最优中心坐标进行三维点云重构，实现高动态范围的激光三维扫描。该方法利用图像传感器中的像素级滤波器阵列并行实现不同比例的光强衰减，通过牺牲空间分辨率来换取时间效率，实现基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描，可以显著减少采集激光条纹图像所需的时间，降低对相机采集帧速的要求，实现更快速地激光三维扫描。

技术领域

本发明涉及一种用于激光三维扫描的高动态范围成像方法，属于三维成像与测量领域。

背景技术

光学三维测量技术由于其非接触、高精度和易于操作等优点广泛应用于工业制造、测绘、医疗、文化遗产等多个领域。激光三维扫描作为光学三维测量的典型技术，能够通过简单且低成本的光学配置提供适中的测量精度，在近年来得到了大力推广。

经典的激光三维扫描系统由相机、激光源和用于扫描的机械装置组成。激光源将一条激光线投射到物体表面，激光线所在的平面与物体表面相交而产生激光条纹；然后由相机捕捉激光条纹的图像。激光条纹的曲线变化由物体表面轮廓调制。因此可以提取激光条纹的图像坐标，通过激光源和相机之间的三角几何来重构物体表面形状的三维数据。

从激光三维扫描系统的工作原理可知，三维测量的性能很大程度上取决于激光条纹的中心检测和定位。在设计或选择激光条纹中心提取算法时，主要考虑定位精度和对噪声的鲁棒性，其默认的前提条件是激光条纹的图像应具有较好的对比度和信噪比。激光三维扫描作为一种基于主动照明的光学三维成像技术，其激光条纹的亮度变化取决于光源发出的激光线的强度和物体表面反射率的变化；而且由于激光是单色光，物体表面纹理和颜色也会显著改变激光条纹的亮度。此时若系统采用标准成像方法采集激光条纹的图像，则容易出现过曝光或欠曝光，影响激光条纹的检测和定位。与标准成像相比，高动态范围成像能够对视场内光强的剧烈变化做出更准确地响应。因此，当物体具有不同的表面反射率或多彩的表面纹理时，激光三维扫描系统需要使用高动态范围成像技术来采集激光条纹的图像。

激光三维扫描系统常用的高动态范围成像技术是从计算机视觉中继承而来的多重曝光方法。此类方法的原理和算法较简单，但每次高动态范围成像均需要采集多帧图像，因此时间效率很低。且此类方法理论上要求采集多帧图像期间物体保持静止，不利于激光扫描的连续进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描方法，该方法既不会增加图像采集时间也不会增加设备复杂性。利用图像传感器中的像素级滤波器阵列并行实现不同比例的光强衰减，通过牺牲空间分辨率来换取时间效率，实现基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描。

本发明的基于单帧图像的高动态范围激光三维扫描方法，是：

每次扫描时，使用具有像素级滤波器阵列的图像传感器采集单帧激光条纹图并分解为多个子图像；对每个子图像并行使用激光条纹定位算法合成最优中心坐标；以激光条纹的最优中心坐标进行三维点云重构，实现高动态范围的激光三维扫描。

所述像素级滤波器阵列为相邻像素存在透射率变化的周期分布，具体分布可以自行设计，包括但不限于2×2、3×3的周期结构。

所述像素级滤波器阵列可以是商业化彩色图像传感器中的拜耳滤光片。

所述分解为多个子图像，是将单帧激光条纹图分解为具有不同亮度的多个子图像，每个子图像直接进行激光条纹定位并从定位结果中选择最优坐标；而不是将子图像合成为一帧高动态范围图像后再进行激光条纹定位。

所述最优中心坐标的选择依赖于定位算法输出的与图像亮度、对比度和信噪比相关的定位参数；通过分析定位参数与定位精度之间的正或负相关性，即可根据最大或最小参数来确定最优中心坐标。