基于面结构光的无效相位区域补偿算法
时间：2022-12-08 12:15:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杜连续， 金 永， 王召巴
(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)
基于面结构光的三维重建在现代工业检测、 机械制造等行业有着广泛的应用[1-3]. 面结构光三维重建方法首先投射一幅正弦光栅云纹图像于被测物体表面， 采集因被测物体高度变化而形变的变形云纹图像， 高度信息被编码在变形云纹图中. 对云纹图进行相位求解得到截断相位[4]， 然后， 将相位展开[5]获得真实的相位， 根据相位-高度映射算法[6]， 便可以得到被测物体的三维信息. 在面结构光实际应用中， 倾斜投影导致阴影区域普遍存在， 降低了云纹图的质量， 无法得到阴影区域的三维信息. 因此， 对阴影区域定位并进行相位补偿具有重要意义[7].
万安军等[8]研究使用两个对称的投影仪分别进行投影来实现三维数据的补偿， 一定程度上减少了阴影的影响， 但操作比较麻烦；
陈迎春等[9]研究了一种新的投影方式， 通过坐标系平移、 转换以及运用相似三角形等方法完成了阴影区域的三维测量， 但还未应用于实物测量；
常轶民[10]采集了4幅云纹图相加求平均值来确定阴影区域的位置， 从而减少了阴影区域对重建精度的影响， 但这种方法只适合于相移轮廓术[11]， 不适用于在线检测；
吴靖等[12]采用双投影的方式对有阴影遮挡的孔洞进行三维测量， 一定程度上提高了孔洞边缘的测量效果， 但操作比较麻烦， 尽管现有方法在阴影区域补偿方面取得了不错进展， 但是， 在适应性与操作复杂程度方面仍有较大的提升空间.
针对以上方法的不足， 提出了一种无效区域相位区域补偿方法， 只需要投射一幅光强一致的白光图像， 便可以完成无效相位区域定位， 更适应于无效相位区域快速补偿. 首先， 投影出一幅光强一致的白光图像到被测物体上， 根据采集到的图像灰度的不同进行二值化， 得到无效相位区域的位置， 并通过背景相位图替换， 得到无效相位的真实相位. 实验结果表明， 该方法是有效的， 并可以推广到类似的系统中.
1.1 无效相位区域产生
光栅投影法[13]采用了相机垂直拍摄投影仪倾斜投影的方法进行图像采集， 相机和投影仪与参考面之间特定的角度导致投影光路被遮挡， 出现阴影区域. 因此， 只要待测物表面存在凸起或凹陷， 就必然会有阴影区域， 导致出现无效相位区域. 如图 1 所示， 为阴影区域产生的示意图， 可以看出在投影仪光路的另一侧出现了两个阴影区域， 分别为阴影1与阴影2.
图 1 阴影区域产生原理图
1.2 无效相位区域定位
调节投影仪的亮度， 投影出一幅光强一致的白光， 并用相机采集对应的图像II(x,y)， 其中(x,y)为位置坐标. 如图 2 所示， 在图像上矩形框位置出现了阴影区域.
图 2 阴影区域示意图
由于不同颜色对光的反射强度不同， 因此背景区域和物体区域与阴影区域灰度分布相差比较大， 为了将无效相位区域分割开来， 需要将图像进行二值化. 二值化中最重要的一步就是找出一个合适的阈值t分离无效相位区域.本文通过Otsu算法[14]计算图像II(x,y)的阈值t， 通过所有像素点灰度值与阈值t的比较进行二值化， 得到了无效相位区域位置I11(x,y). 可以通过下式计算
(1)
由式(1)可以看出， 图像中灰度为0的部分为阴影区域位置， 正常区域灰度为1， 为非阴影区域位置.
1.3 无效相位区域补偿
根据光栅投影的重建原理， 当钢板放置于参考平面上， 钢板遮挡了本应投射到参考面上的云纹， 形成了阴影区域. 因此， 无效区域的主值相位为参考平面对应位置的主值相位. 将背景相位图中无效相位区域位置的相位替换掉被测物体中无效相位区域位置的相位就能得到真实相位， 完成无效相位区域的补偿.
CCD相机采集光栅图像I1(x,y)与I0(x,y)， 其中I1(x,y)为变形云纹图像，I0(x,y)为参考云纹图像.使用小波轮廓术[15]对采集的光栅图像I1(x,y) 与I0(x,y)进行相位求解， 得到变形云纹图和参考平面云纹图的主值相位， 其中， 钢板主值相位为I1， 参考平面主值相位为I0.
(2)
本文采用经典光栅投影法拍摄钢板云纹图像， 相机拍摄图像的分辨率为0.1 mm/pixels×0.1 mm/pixels. 投射光栅的频率设置为0.062 5 Hz， 将入射角θ设置为30°. 投影仪与参考平面相距600 mm. 图 3 是拍摄到的光栅云纹图， 图 3(a) 为钢板表面云纹图， 图 3(b) 为参考面云纹图. 图 4 为拍摄到有钢板轮廓的背景图像. 对背景图进行二值化处理可以得到阴影区域的位置， 其中， 黑色部分为阴影区域位置， 阴影区域位置如图 5 所示.
(a) 钢板表面云纹图像
图 4 背景图像Fig.4 Background image
图 5 阴影区域位置Fig.5 Shadow area location
使用小波轮廓术对采集的光栅图像进行相位求解， 得到钢板云纹图和参考面云纹图的主值相位， 其中钢板主值相位图与参考平面主值相位图分别如图 6(a), (b) 所示.
(a) 钢板主值相位
通过式(2)将钢板相位图中无效相位区域替换掉， 得到补偿后的钢板相位图， 如图 7 所示， 然后， 使用枝切法[16]展开相位， 通过相位高度转换公式便可以重建钢板的三维轮廓， 钢板的重建结果如图 8(a) 所示， 钢板重建表面图如图 8(b) 所示.
图 7 补偿后相位图
(a) 重建钢板三维图
表 1 为4孔钢板中4个孔洞直径的测量结果， 4个孔洞标准直径都为8 mm. 表 1 中第2列为无效相位区域补偿后的结果， 第3列为补偿前检测结果. 可以看出， 无效相位区域补偿后的结果测量精度在0.1 mm之间， 补偿前检测结果精度在0.3 mm之间.
表 1 孔洞测量结果
表 2 为4孔钢板中方形洞的测量结果， 方孔洞标准边长为24 mm. 可以看出， 无效相位区域补偿后边长的测量结果精度在0.1 mm之间， 补偿前边长测量结果精度在0.31 mm， 因此无效相位区域补偿方法有效地改善了阴影盲区导致的测量误差较大的缺点.
表 2 方孔洞的测量结果
通过分析光栅投影法投影盲区形成原理， 提出了一种无效相位区域补偿方法， 改善了阴影盲区导致的测量误差较大的缺点， 相比于补偿前检测结果， 该方法可以提高孔洞边缘的重建精度. 经过实验验证， 此方法将圆孔洞直径与方孔洞边长测量结果提升了0.2 mm.
猜你喜欢 光栅孔洞钢板 锻件内部孔洞缺陷行为的数值模拟及闭合解析大型铸锻件(2022年4期)2022-08-16基于光纤布拉格光栅的超声无损检测系统研究现代电子技术(2022年9期)2022-05-12双钢板与锁定钢板在复杂肱骨近端骨折治疗中的疗效比较昆明医科大学学报(2022年2期)2022-03-29探讨拉森钢板桩在市政工程基坑支护中的应用建材发展导向(2021年20期)2021-11-20基于石墨烯/PDMS的可调光栅的结构分析与数值模拟科技视界(2020年8期)2020-05-18悬崖上有字红岩(2018年6期)2018-11-16走路时，我们会踩死细菌吗新传奇(2018年16期)2018-05-14SA—387Gr11C12钢板（6=88mm）厚压裂原因分析科技经济市场(2017年4期)2017-07-06骨折手术的钢板 可以不拆吗大家健康(2016年8期)2016-12-26光纤光栅在线写入系统科学与财富(2016年7期)2016-03-25
