技术领域
[0001] 本
发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种彩色物体三维轮廓测量方法。
背景技术
[0002] 现有的彩色物体三维轮廓测量的仪器主要是采用一维或二维机械装置控制结构光进行物体的扫描，这些仪器的共同缺点为测量速度较慢。如意大利国家研究委员会利用结构光扫描实现彩色三维轮廓测量的仪器和日本Konica Minolta公司的Vivid910系列采用激光三
角测距原理的便携式激光
扫描仪。
[0003] 结构光投影式测量系统具有：测量速度快，全场一次成像的优点。但是现有的结构光投影式系统的测量对象为白色或浅色物体，或在彩色被测物上喷显影剂，对于彩色物体的测量还没有找到一种好办法。
[0004] 在传统的结构光投影式三维测量中，投影出的结构光受到被测物体表面
颜色的影响，导致结构光颜色误判增加。由于物体表面具有不同的颜色，也就是对RGB三通道的反射率
不平衡，导致CCD采集到的图像其颜色并不是投影的结构光的颜色，而是结构光与物体自身颜色
混叠后的状态。
[0005] Caspi等在论文‘Range imaging with adaptive color structured light’中提出了彩色响应模型，该模型反映测量系统中CCD相机采集到的
像素值与投影仪投影的图像之间的响应关系为：
[0006]
[0007] 即，M＝AKP(I)+M0
[0008] 式中，M＝[R G B]T是CCD相机采集到的图像上任意
指定点的像素实际值；M0＝[R0 G0 B0]T是在环境光影响下的像素背景值，在室内光照条件下，通常忽略M0的影响；I＝[r g b]T是投影仪所投影的图像上对应点的像素设定值；矩阵A是投影仪和CCD相机之间的三通道耦合矩阵；P是像素设定值与实际投影出的图像的RGB值之间的对应关系；反射率矩阵K是该点对RGB三个分量的不同反射率。
[0009] 论文“一种针对彩色物体的光栅投影三维测量方法”提出通过投影两幅互补的光栅，求取物体表面逐点的反射率，该方法只是部分消弱了彩色物体的影响，测量
精度有待于进一步提高；而且该方法只能利用傅里叶变换法求取包裹
相位，限制了它的使用范围，对于复杂、陡峭或存在孤立区域的彩色物体测量在相位展开时很难求得准确的相位解包裹结果。Caspi通过投影一幅白色和一幅黑色的图到物体表面进行补偿，论文“三维面形测量中减小物体彩色纹理影响的新方法”提出预先标定白板的颜色响应，近似求取物体表面的颜色信息来减小对测量系统的影响，但是上述两种方法不能很好的改善光栅的正弦性。
[0010] 利用结构光投影法测量物体三维轮廓一直是一个热点研究问题，前人已经做了很多的研究工作。对于彩色物体三维轮廓的测量，国内外科研人员也做了许多研究，但是测量精度不高，不能很好的消弱彩色物体表面颜色对测量的影响。
发明内容
[0011] 本发明目的是提供一种彩色物体三维轮廓测量方法，解决了现有的测量方法因彩色物体颜色干扰而导致测量精度低的技术问题。
[0012] 本发明的技术解决方案是：一种彩色物体三维轮廓测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0013] 1)测量彩色3CCD相机的三通道耦合矩阵A，并求出逆矩阵A-1；
[0014] 2)制作三幅由红、绿、蓝三色组成的呈互补关系的条纹图，第一幅条纹图是按红、绿、蓝顺序排列的格雷编码条纹图，第二幅条纹图按绿、蓝、红顺序排列，第三幅条纹图按蓝、红、绿顺序排列；同一个像素点在三幅条纹图中的像素值之和为255；
[0015] 3)将步骤2)制作的三幅互补的条纹图投影至被测彩色物体的表面；
[0016] 4)用彩色3CCD相机分别采集得到
变形条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形条纹图的图像数据输送至计算机；
[0017] 5)将三幅变形条纹图中的同一个像素点的实际像素值逐个进行
叠加，求解每一个像素点的反射率矩阵K，并求出逆矩阵K-1；
[0018] 6)生成三幅具有同周期、同振幅、相邻条纹有120度
相位差的正弦条纹图，然后将这三幅正弦条纹图作为彩色图像的三层数据，生成彩色
相移条纹图；
[0019] 7)将步骤6)生成的彩色相移条纹图投影至被测彩色物体的表面；
[0020] 8)用彩色3CCD相机采集得到变形相移条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形相移条纹图的图像数据输送至计算机；
[0021] 9)利用步骤1)得到的A-1和步骤5)得到的K-1对变形相移条纹图中每一个像素点进行补偿，还原出准确的彩色编码信息与相位信息；
[0022] 10)采用相移法从补偿后的图像中提取出包裹相位信息，并进行相位解包裹；根据相位解包裹之后的相位图，利用三角法原理求得每一个像素点的高度信息，得出彩色物体三维轮廓。
[0023] 进一步地，步骤6)中的正弦条纹图是由Matlab
软件生成的光强按正弦规律变化的正弦条纹图。
[0024] 进一步地，步骤6)中产生正弦条纹图的公式为
[0025]
[0026] 其中，(u,v)为像素坐标，I为投射光强值，Im为投射光强的最大值，f为条纹空间
频率，δ为条纹的初相位。
[0027] 进一步地，步骤6)中产生彩色相移条纹图的公式为
[0028]
[0029] 其中，I1、I2和I3分别为三个正弦条纹图的投射光强值。
[0030] 进一步地，步骤10中提取包裹相位信息的方法是利用Matlab软件把采集到的变形相移条纹图分为三幅相移灰度图像，利用三步相移技术求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位。
[0031] 本发明的有益效果在于：本发明首先利用光度计测量出3CCD相机的三通道耦合矩阵，消除物理器件对测量过程的影响，相比于利用投影红、绿、蓝图像至白纸上计算耦合矩阵具有更高的精度；对于彩色物体表面反射率的求取，该方法实质上相当于在物体每一点都投影了三原色，利用互补关系，通过叠加互补色，求取的反射率矩阵K抵消了干扰。较之投射均匀白光求取的反射率K，投影互补彩色条纹的方法能起到更好的结构光条纹补偿效果，补偿后的图像具有更好的正弦性。本方法只需投影四副图像至彩色物体表面就可以更精确的求得彩色物体的三维轮廓信息，兼顾了测量速度，可以实现快速测量的目标。
附图说明
[0032] 图1为红绿蓝格雷编码条纹图。
[0033] 图2为红绿蓝格雷编码条纹的补色图。
[0034] 图3为彩色相移条纹图。
具体实施方式
[0035] 本发明为一种彩色物体三维轮廓测量方法，该方法可以消弱彩色物体颜色对结构光投影三维测量干扰，具体包括以下步骤：
[0036] 第一步，利用光度计测量彩色3CCD相机的三通道耦合矩阵A，因为三通道耦合矩阵A属于相机本身的属性与实际采集图像中像素的具体空间
位置无关，只需要预先测量一次，其测量的结果可以用于以后采集图像的所有像素点的校正，三通道耦合矩阵A表达式如下：
[0037]
[0038] 并计算出其逆矩阵A-1；
[0039] 第二步，设计三幅由红、绿、蓝三色组成的条纹图，第一幅是按红、绿、蓝顺序排列的格雷编码条纹图，条纹图如图1所示，第二幅按绿、蓝、红顺序排列，第三幅按蓝、红、绿顺序排列，这三幅图每幅图同一个像素点中分别对应三原色中的一种颜色，这三幅条纹图相加为255，形成了互补关系，设第一幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x1,y1,z1,第二幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x2,y2,z2,第三幅彩色编码光栅中任意一个像素点的RGB通道设定值为x3,y3,z3,任意一个像素点的RGB通道实际像素值满足
[0040]
[0041] 第三步，由投影仪投影这三幅互补的彩色条纹至被测的彩色物体表面，图1的互补彩色条纹图如图2所示；
[0042] 第四步，用彩色3CCD相机采集变形的彩色条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形的彩色条纹图像数据输送至计算机；
[0043] 第五步，将上一步中的三幅图像的实际像素值逐个进行对应点的叠加，[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 将三幅图像的实际像素值逐个进行对应点的叠加，得到
[0048]
[0049] 化简得到方程组
[0050]
[0051] 由于室内光照条件下R0，G0，B0近似为零，利用上式可以分别解出每一个点的反射率矩阵K，
[0052]
[0053] 并求出矩阵K-1；
[0054] 第六步，利用Matlab软件生成三个具有同周期、同振幅、相邻条纹有120度相位差的正弦条纹，光强按正弦规律变化的正弦条纹由软件产生条纹图，产生正弦条纹图的公式为
[0055]
[0056] 其中，(u,v)为像素坐标，I为投射光强值，Im为投射光强的最大值，f为条纹空间频率，δ为条纹的初相位。
[0057] 彩色相移条纹产生的公式也是由生成正弦条纹的基本公式产生而来的，[0058]
[0059] 其中，I1、I2和I3分别为三个正弦条纹图的投射光强值，产生的彩色相移条纹图如图3所示。
[0060] 第七步，由投影仪投影彩色相移条纹至被测物体表面；
[0061] 第八步，用彩色3CCD相机采集变形相移条纹图，并通过彩色数字图像卡将变形相移条纹图像数据输送至计算机；
[0062] 第九步，结合第一步中求出的A-1，对图像的每一个像素值[R G B]T均乘以A-1进行校正，就可以消除三通道耦合对彩色图像
质量的影响。结合第五步求出的K-1，对图像的每一个像素值[R G B]T均乘以K-1进行校正，就可以消弱彩色物体表面每一点的反射，消弱彩色物体和投影仪投影的彩色莫尔条纹产生的相互干扰，对采集到的变形的彩色莫尔条纹图中每一个像素点作如下运算：
[0063] M＝K-1A-1[A]
[0064] 便可还原出准确的彩色编码信息与相位信息；
[0065] 第十步，采用相移法从补偿后的图像中提取出包裹相位信息，即利用Matlab软件把采集到的变形相移条纹图分为三幅相移灰度图像，利用三步相移技术求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位，进行相位解包裹，结合相机和投影仪的标定，利用三角法原理可以求得每一个像素点的高度信息，得出彩色物体三维轮廓。
