CN102243103A - 一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法，先建立彩色物体的反射模型，再建立测量编码条纹，然后分离测量信息，再获取颜色信息，得到被测物体的颜色三维信息，最后获取物体的三维轮廓信息，本发明采用编码条纹投影的方法，只需要采集两幅投影编码条纹，因此，它不仅测量精度高，而且测量速度快，同时，由于颜色信息和轮廓信息这两部分信息都是从一幅图像中获得的，所以不存在任何匹配误差，本发明具有测量精度较高，匹配误差小，测量速度快的优点。

Description

一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法

技术领域

本发明属于复杂物体三维轮廓检测技术领域，具体涉及一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法。

背景技术

目前，由于光学三维轮廓测量技术具有非接触、分辨率高和数据获取速度快等优点，成为近年来国际上研究的热门课题之一，并广泛应用在反求工程、工业自动检测、新产品开发、医疗诊断、文化遗产保护与恢复和现代制造系统等领域。然而，在进行彩色逆向工程设计、文化遗产的保护及科研分析、艺术品及玩具制作等彩色模型进行测量时，形状和颜色是其测量的基本元素，形状是待测物体的三维轮廓数据，通常用世界坐标系中的X、Y、Z坐标值来表示；颜色则通过物体表面对入射光线的反射特性和表面材料的纹理特性来表征，通常采用R、G、B三维绝对颜色信息表示。如何既能获得物体的精确三维轮廓信息，又能获得物体的绝对三维颜色信息，即高精度彩色三维轮廓测量是当今轮廓测量领域的又一大研究热点。

彩色三维轮廓测量方法，大都是在光学三维轮廓测量技术的基础上，与颜色信息进行空间坐标的匹配来完成，这样需要分别进行三维轮廓信息和三维颜色信息的采集，从而造成测量速度慢，而且匹配误差大。目前，彩色三维轮廓测量方法按照照明方式可以分为两类：一类是被动式的视觉测量方法，它是采用非结构光的照明方式，从一个或多个角度获得二维平面图像，通过一系列复杂的图像处理算法获得三维形状数据，即X、Y、Z三维坐标值，同时，可以通过一个彩色观察系统获得一幅平面彩色图像，它包含有R、G、B颜色信息，结合预先进行的系统标定值，将两次获得的数据进行空间匹配，即可得到物体的彩色三维轮廓(X、Y、Z-R、G、B)。这种方法的测量必须依赖于物体形态、光照条件等先决条件，它不仅需要进行大量的数据运算，而且测量精度较低，匹配误差大；另一类是更适合于计量的主动式测量方法，它是采用线结构光扫描的测量方法，是指用一线结构光从一个方向照明物体，由于物体表面对结构光场的空间或时间调制，从不同方向观察，得到变形的结构光图像，这些变形对应着物体的高度信息，结合三角法就可以计算出物体的外形轮廓，即X、Y、Z三维坐标值，然后，在无结构光照明情况下获得物体的颜色信息，最后进行形状与颜色的匹配，得到物体的彩色三维信息。这种方法的测量速度慢，而且存在较大匹配误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法，具有测量精度较高，匹配误差小，测量速度快的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法，包括以下步骤：

第一步，建立彩色物体的反射模型，假设红、绿、蓝三个颜色分量的强度分别为I_R、I_G和I_B，编码投影条纹能够沿水平方向x或竖直方向y进行编码，也能够沿灰度级方向z进行编码，将编码投影条纹投影到被测彩色物体上，由此得到了编码投影条纹和被测物体间的映射关系，即彩色物体的反射模型；

第二步，建立测量编码条纹，采用彩色条纹的红、绿、蓝三个颜色分量实现编码条纹的三步相移，即红、绿、蓝三种颜色分量的光强分布I_R、I_G和I_B分别为：

公式中：I_m为各分量的最大光强；

为各颜色分量在点(x，y)处的初始相位值；

第三步，分离测量信息，将测量编码条纹投影在被测物体上，然后采用CCD摄像机拍摄，获得其受物体颜色和高度调制的变形图像，假设被测物体位于X-Y平面内，其高度信息在Z方向上，当物体的颜色造成编码条纹改变时，所表现出来的是Z方向R、G、B各个颜色分量灰度级的变化；而由于物体高度的变化会造成编码条纹在X方向或者Y方向上发生横向的平移，因此，由于颜色所造成的条纹变化和由于高度所引起的条纹变化位于两个不同的方向上，据此将两部分信息分离开来；

第四步，获取颜色信息，由第三步得到由于物体颜色变化而造成的编码条纹的变形信息，结合第一步建立反射模型的投影条纹与物体颜色的反射映射关系，依据条纹每一区域所得图像各个颜色分量的灰度与所投射条纹颜色分量灰度之间的关系，得到被测物体表面每一区域的各个颜色分量的灰度值，即被测物体的颜色三维信息；

第五步，获取三维轮廓信息，由第三步得到由于物体高度变化而造成的编码条纹的变形信息，将红、绿、蓝三个颜色分量分开，即为三步相移图像，然后根据下面三步相移算法的公式获得其相位信息

公式中：I_R(x，y)、I_G(x，y)、I_B(x，y)分别代表红、绿、蓝各分量在点(x，y)处的光强值，根据相位值与高度信息之间的标定关系，求出物体的三维轮廓信息。

由于本发明采用编码条纹投影的方法，只需要采集两幅投影编码条纹，因此，它不仅测量精度高，而且测量速度快，同时，由于颜色信息和轮廓信息这两部分信息都是从一幅图像中获得的，所以不存在任何匹配误差。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细描述。

一种物体色彩及三维轮廓的快速测量方法，包括以下步骤：

第一步，建立彩色物体的反射模型，由于彩色物体的颜色信息受到入射光线的波长、光强分布、待测量表面的表面粗糙度、入射光线与入射点表面法线的夹角等因素的影响，被测物体的绝对颜色信息的获取极其复杂，为了获得被测物体的绝对颜色信息，必须建立适当的反射模型，为了建立反射模型，先设计编码投影条纹，假设红、绿、蓝三个颜色分量的的强度分别为I_R、I_G和I_B，编码投影条纹能够沿水平方向x或竖直方向y进行编码，也能够沿灰度级方向z进行编码，如果编码投影条纹沿x方向编码，则其编码投影条纹的光强可以按I₁、I₂或I₃三种方式进行编码：

$I_1=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=k_{1}x\\ I_G=0\\ I_B=0\end{array}\right.,$ $I_2=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=0\\ I_G=k_{1}x\\ I_B=0\end{array}\right.$ 和 $I_3=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=0\\ I_G=0\\ I_B=k_{1}x\end{array}\right.$

公式中：k₁为灰度比例因子，而且编码投影条纹也可以按照I₁、I₂和I₃的组合形式进行编码；如果编码投影条纹沿灰度级方向z进行编码，则其编码投影条纹的光强可以按

和

三种方式进行编码：

$I_{k_{2}R}=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=k_{2}z\\ I_G=0\\ I_B=0\end{array}\right.,$ $I_{k_{2}G}=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=0\\ I_G=k_{1}z\\ I_B=0\end{array}\right.$ 和 $I_{k_{2}B}=\left\{\begin{array}{c}{I}_R=0\\ I_G=0\\ I_B=k_{2}z\end{array}\right.$

公式中：k₂为灰度比例因子，而且编码投影条纹也可以按照

和

的组合形式进行编码，通过投影机将编码投影条纹投影到被测物体上，通过CCD摄像机拍摄投影到被测物体上的编码投影条纹的图像，通过图像处理获得编码投影条纹与被测物体的映射关系，并结合投影机和CCD摄像机的颜色畸变进行了标定修正，最后获得彩色编码投影条纹与被测彩色物体的映射关系，即彩色物体的反射模型；

第二步，建立测量编码条纹，为了进行彩色三维和轮廓三维的同步测量，必须进行辅助编码条纹的设计，为了保证三维轮廓的测量，采用彩色图像中红、绿、蓝三个颜色分量实现编码条纹的三步相移，也就是红、绿、蓝三种颜色分量的光强分布IR、IG和IB分别存在固定的相移量：

公式中：I_m为各分量的最大光强；

为各颜色分量在点(x，y)处的初始相位值；

第三步，分离测量信息，将测量编码条纹投影在被测物体上，然后采用CCD摄像机拍摄，获得其受物体颜色和高度调制的变形图像，假设被测物体位于X-Y平面内，其高度信息在Z方向上，当物体的颜色造成编码条纹改变时，所表现出来的是Z方向R、G、B各个颜色分量灰度级的变化，由于物体各部分颜色的不同，所引起的测量编码条纹各颜色分量的数值也不尽相同；而由于物体高度的变化会造成编码条纹在X方向或者Y方向上发生横向的平移，因此，由于颜色所造成的条纹变化和由于高度所引起的条纹变化位于两个不同的方向上，据此将两部分信息分离开来；

第四步，获取颜色信息，由第三步得到由于物体颜色变化而造成的编码条纹的变形信息，结合第一步建立反射模型的投影条纹与物体颜色的反射映射关系，依据条纹每一区域所得图像各个颜色分量的灰度与所投射条纹颜色分量灰度之间的关系，得到被测物体表面每一区域的各个颜色分量的灰度值，即被测物体的颜色三维信息；

第五步，获取三维轮廓信息，由第三步得到由于物体高度变化而造成的编码条纹的变形信息，将红、绿、蓝三个颜色分量分开，即为三步相移图像，然后根据下面三步相移算法的公式获得其相位信息

公式中：I_R(x，y)、I_G(x，y)、I_B(x，y)分别代表红、绿、蓝各分量在点(x，y)处的光强值，根据相位值与高度信息之间的标定关系，求出物体的三维轮廓信息。

至此，物体的颜色三维信息和高度三维信息就已经全部求解出来了。这种方法采用编码条纹投影的方法，只需要采集两幅投影编码条纹，因此，它不仅测量精度高，而且测量速度快，同时，由于颜色信息和轮廓信息这两部分信息都是从一幅图像中获得的，所以不存在任何匹配误差。

Claims (1)

1.一种物体颜色及三维轮廓的快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立彩色物体的反射模型，假设红、绿、蓝三个颜色分量的强度分别为I_R、I_G和I_B，编码投影条纹能够沿水平方向x或竖直方向y进行编码，也能够沿灰度级方向z进行编码，将编码投影条纹投影到被测彩色物体上，由此得到了编码投影条纹和被测物体间的映射关系，即彩色物体的反射模型；

第二步，建立测量编码条纹，采用彩色条纹的红、绿、蓝三个颜色分量实现编码条纹的三步相移，即红、绿、蓝三种颜色分量的光强分布I_R、I_G和I_B分别为：

公式中：I_m为各分量的最大光强；为各颜色分量在点(x，y)处的初始相位值；

第三步，分离测量信息，将测量编码条纹投影在被测物体上，然后采用CCD摄像机拍摄，获得其受物体颜色和高度调制的变形图像，假设被测物体位于X-Y平面内，其高度信息在Z方向上，当物体的颜色造成编码条纹改变时，所表现出来的是Z方向R、G、B各个颜色分量灰度级的变化；而由于物体高度的变化会造成编码条纹在X方向或者Y方向上发生横向的平移，因此，由于颜色所造成的条纹变化和由于高度所引起的条纹变化位于两个不同的方向上，据此将两部分信息分离开来；

第四步，获取颜色信息，由第三步得到由于物体颜色变化而造成的编码条纹的变形信息，结合第一步建立反射模型的投影条纹与物体颜色的反射映射关系，依据条纹每一区域所得图像各个颜色分量的灰度与所投射条纹颜色分量灰度之间的关系，得到被测物体表面每一区域的各个颜色分量的灰度值，即被测物体的颜色三维信息；

第五步，获取三维轮廓信息，由第三步得到由于物体高度变化而造成的编码条纹的变形信息，将红、绿、蓝三个颜色分量分开，即为三步相移图像，然后根据下面三步相移算法的公式获得其相位信息

公式中：I_R(x，y)、I_G(x，y)、I_B(x，y)分别代表红、绿、蓝各分量在点(x，y)处的光强值，根据相位值与高度信息之间的标定关系，求出物体的三维轮廓信息。