[发明专利]利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法

摘要

本发明涉及数字图像和三维数据处理技术领域，具体涉及一种利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量系统及方法，包括搭建三维测量系统；对三维测量系统进行校准；建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表；生成含有基频与高频的结构光扫描图片，并利用查找表对生成的结构光扫描图片进行预先修正，得到用于三维测量的图片；扫描被测物体并同步抓取含有物体信息的图片数据；将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示。本发明采用预先校准得到一个关于灰度级修正非线性畸变的查找表，利用查找表对生成的结构光扫描图片数据进行灰度级修正，不仅可以有效地克服投影机非线性(也称为伽马(Gamma))的影响，也解决了在测量的过程中会出现的像素值上溢与下溢的问题。

主权项

利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法，快速三维测量系统包括投影机、照相机、计算机及用于三维校准的标靶，所述标靶置于照相机能够捕捉且投影仪射出的光也能够覆盖的范围，所述计算机分别与投影机和照相机进行信号传输，还包括用于控制照相机与投影机同步开启的触发电路，所述同步触发电路采用NPN三极管放大电路，计算机VGA管脚的控制输出端分别与投影机和三极管放大电路的基极连接，三极管放大电路的集电极再与照相机连接，其特征在于：所述利用查找表修正非线性畸变的快速三维测量方法包括以下步骤：1.1、搭建三维测量系统，具体步骤为：1.1.1、放置标靶于摄像头能够捕捉的范围，投影机射出的光照能够覆盖扫描的范围；1.1.2、打开照相机设置界面，合理设置照相机的曝光时间以及触发模式，保证照相机与投影机处于同步状态；1.1.3、在确保照相机焦距处于最佳状态，实时检测在白光照射下，拍摄到的图像中是否产生上溢或者下溢，若有上溢或者下溢的现象，则要适当调整照相机光圈，以保证照相机处于最理想的拍摄状态，并重复进行上述过程；1.2、对三维测量系统进行校准，具体步骤为：1.2.1、先导入预先通过测量标靶并计算得到的N组圆心三维点坐标，其中N≥6，然后从照相机拍摄的图像中获取标靶在照相机中的图像，并依次选取标靶每个面上方框的四个角点坐标；1.2.2、采用透视投影矩阵的方法对畸变的图案进行校正映射，具体转换公式如下所示，并应用双线性插值法或者最邻近插值法对校正后的图案 进行插值，使得图案被修正并达到较好的效果；公式中，(x’,y’)为校正后的坐标点，(x,y)为校正前的坐标点，s为比例因子，g为透视投影矩阵；1.2.3、把步骤1.2.2中校正好的图案进行灰度化处理，然后再进行二值化处理，在得到的二值化图像中查找每个圆的圆心，并保存；1.2.4、重复步骤1.2.1‑1.2.3，获取标靶另一个面上的坐标点；1.2.5、通过这两组坐标点得到关于照相机与三维世界坐标系的转换矩阵Mwc,具体公式如下所示，保存并进入下面步骤1.2.6；照相机坐标与世界坐标之间的转换公式如下：从而得到照相机与世界坐标的转换矩阵Mwc记为：Mwc可以用最小二乘法作为伪逆矩阵得到；1.2.6、通过投影机，将预先进行纵向编码的不同频率的正弦波图片投射到标靶的表面，通过照相机同步抓取，再将抓取到的图片进行解相位并进行相位展开，然后再通过展开后的相位值得到与步骤1.2.1中三维点坐 标对应的坐标值，得到投影机与三维世界坐标系的转换矩阵Mwp并保存，其中求解相位的公式和转换矩阵Mwp的公式如下，到此三维测量系统校准完毕；投影机中的坐标与世界坐标之间的转换关系为：投影机与照相机之间的转换矩阵记为Mwp:其中yp来源于最终展开后的相位Φ，Φ表示被抓取的图案中每一个像素点对应的相位值，可以通过下面的公式计算出来：Mwp可以用最小二乘法作为伪逆矩阵得到；1.3、建立关于灰度级修正非线性畸变的查找表，具体步骤为：1.3.1、生成从0到255的灰度级纯色图像，设置灰度级图像扫描的重复次数，扫描一个表面并抓取数据；1.3.2、将抓取到的相同灰度级的图案求平均值，并把平均后的图像数据按公式(i)规范化；公式中为规范化后的灰度级，表示实际抓取到的灰度级图像，i表示第j次实际抓取到的第i个灰度级图片，为第j次实际抓取到的理想灰度级为0的图像，第j次实际抓取到的理想灰度级为255的图像，N为扫描的重复次数，其中N≥1；1.3.3、将规范化后的每幅图像的像素值求平均值并存储；1.3.4、根据步骤1.3.3中获得的平均像素值，结合公式(j)测量出投影机每个灰度级对应的伽马值参数，然后根据公式(k)将得到的灰度级作为修正非线性畸变的查找表；公式中j表示步骤1.3.3中存储的畸变灰度值，i表示与畸变灰度值j对应的理想灰度值，LUT为建立的查找表；1.3.5、判断查找表中是否含有间断点，若有，则采用线性插值法处理间断点，若没有，不作任何处理，便可得到最终的查找表；1.4、生成含有基频与高频的结构光扫描图片，并利用查找表对生成的结构光扫描图片进行预先修正，得到用于三维测量的图片；1.5、扫描被测物体并同步抓取含有物体信息的图片数据；1.6、将得到的扫描图片数据通过计算，生成三维点云坐标并显示。