基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法
【專利摘要】本發明提供一種基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，包括相機CCD光強?灰度的非線性響應校正、離焦距離和模糊寬度評價函數曲線標定和物體表面三維形貌重建三大步驟，相機CCD光強——灰度的非線性是通過比較標準條紋灰度值和相機轉換后圖像條紋灰度值來校正，通過理論得出離焦距離和模糊寬度關系方程，利用實驗標定得出相關相機參數，建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線；利用相機參數可以得到物體表面投影到附近聚焦平面的面內坐標，利用模糊寬度的測量計算，可以得到物體表面和聚焦平面的距離，由此方法根據一張照片可以測量得到物體表面的三維表面形貌。
【專利說明】
基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種利用評估照片模糊程度來測量物體表面形貌的方法，特別涉及基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法。
【背景技術】
[0002]利用評估照片模糊程度來測量物體表面形貌的方法具有計算簡單，只需要一個鏡頭等優點，國內外對此已經有了許多研究。現有的方法主要分為DFF(depth from focus)方法和DFD(depth from defocus)方法。DFF方法需要多張在不同距離拍攝的照片，評估這些照片的模糊程度，找到聚焦最好的一張，就能得到測量點的深度信息。在每個測量點上重復上述的工作，就能得到物體表面的三維形貌。DFD方法需要對物體拍攝最少兩張模糊程度不同的照片，通過照片的模糊信息和相機的參數可以求得物體的深度信息。
[0003]以上方法需要對物體拍攝兩者或更多的圖片才能得到物體表面的三維形貌，這就導致了這些方法不適用于實時測量移動或變形的物體。而且多張圖片測量物體表面三維形貌需要對不同圖片上的對應點進行匹配，這會提高測量方法的計算時間和難度。

【發明內容】

[0004]針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，解決現有的利用評估照片模糊程度來測量物體表面形貌的方法對照片數量需求過多的缺點。
[0005]為達到上述目的本發明采用如下方案:
[0006]一種基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1、通過比較標準條紋灰度值和相機轉換后圖像的條紋灰度值，對相機CCD光強-灰度的非線性響應進行校正；
[0008]步驟2、通過理論得出離焦距離和模糊寬度關系方程，利用實驗標定得出相關相機參數，建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線；
[0009]步驟3、測量物體三維形貌
[0010]3.1在被測物體表面制備特征散斑；
[0011 ] 3.2拍攝一張被測物體的照片;通過校正相機CCD光強-灰度非線性響應，修正照片中的灰度值;計算照片中各散斑邊緣處的模糊寬度，利用離焦距離和模糊寬度的評價曲線，得到該處的深度值；
[0012]3.3利用相機參數得到物體表面投影到附近聚焦平面的面內坐標；
[0013]3.4根據被測物體上各點的深度值和面內坐標，最終得到了被測物體的三維表面形貌。
[0014]進一步，所述步驟2中，計算所有照片的模糊寬度，結合與之對應的離焦距離，得到模糊寬度和離焦距離關系的標定曲線;通過標定曲線，得到離焦距離和模糊寬度關系的理論方程中的相關相機參數，最終建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線。
[0015]進一步，所述步驟3.2中，模糊寬度為沿著散斑邊緣灰度值梯度方向上的模糊區域的寬度，通過模糊區域附近最大灰度值與最小灰度值的差值除以模糊區域內沿著梯度方向上的灰度值分布的斜率得到。
[0016]進一步，通過計算測量點與周圍相同距離的點的灰度值差值，灰度值差值最大的兩個點的連線作為灰度值梯度方向。
[0017]本發明基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，基于離焦距離和模糊寬度具有一一對應的關系，利用模糊寬度可以有效的消除環境光照和物體表面反射率對模糊寬度計算結果的影響。通過離焦距離和模糊寬度關系的理論公式，在相機參數下得到的離焦距離和模糊寬度評價曲線可以轉化成其他相機參數下的評價曲線，這使得本方法在實際操作中簡單易行，且有更廣的適用性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明測量系統的示意圖
[0019]圖2為模糊區域沿灰度值梯度方向的灰度值分布圖
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細描述。
[0021]如圖1所示，被測物體被放置在相機的前方。物體在聚焦平面上的測量點能夠在相機CCD上形成清晰的像，而一旦測量點偏離聚焦平面，它在相機CCD上的像為一塊圓散斑。離焦距離越大，圓散斑的直徑就越大。
[0022]本發明實施例的基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法包括如下步驟:
[0023](I)通過比較標準條紋灰度值和相機轉換后圖像條紋灰度值對相機CCD光強-灰度的非線性響應進行校正。
[0024](2)對一個平面物體表面制備特征散斑。把實驗相機安裝在三維移動平臺上，并把平面物體平行放置于相機前方。移動實驗平臺找到相機聚焦清晰的位置作為起始位置，然后繼續移動平臺，從聚焦清晰到離焦模糊，拍攝一系列該平面物體的照片，記錄照片的序號和對應的移動距離。通過校正相機CCD光強-灰度非線性響應，修正照片中的灰度值。
[0025](3)計算測量點與周圍相同距離的點的灰度值差值，灰度值差值最大的兩個點的連線作為灰度值梯度方向。
[0026](4)沿著散斑邊緣灰度值梯度方向上的模糊區域的寬度定義為模糊寬度。如圖2所示為其中一處模糊區域內的修正后灰度值在梯度方向上的分布，模糊寬度通過模糊區域附近最大最小灰度值的差值除以模糊區域在梯度方向上的灰度值分布的斜率得到。
[0027](5)計算所有照片的模糊寬度，結合之前記錄的與之對應的離焦距離，最終得到了模糊寬度和離焦距離關系的標定曲線。通過標定曲線，可以得到離焦距離和模糊寬度關系的理論方程中的相關相機參數，最終建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線。
[0028](6)在被測物體表面制備的黑色散斑。
[0029](7)拍攝一張被測物體的照片。通過校正相機CCD光強-灰度非線性響應，修正照片中的灰度值。計算照片中各散斑邊緣處的模糊寬度，利用離焦距離和模糊寬度的評價曲線，得到了該處的深度值。
[0030](8)利用相機參數可以得到物體表面投影到附近聚焦平面的面內坐標。
[0031](9)根據被測物體上各點的深度值和面內坐標，最終得到了被測物體的三維表面形貌。
【主權項】
1.一種基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、通過比較標準條紋灰度值和相機轉換后圖像的條紋灰度值，對相機CCD光強-灰度的非線性響應進行校正； 步驟2、通過理論得出離焦距離和模糊寬度關系方程，利用實驗標定得出相關相機參數，建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線； 步驟3、測量物體三維形貌 3.1在被測物體表面制備特征散斑； 3.2拍攝一張被測物體的照片;通過校正相機CCD光強-灰度非線性響應，修正照片中的灰度值;計算照片中各散斑邊緣處的模糊寬度，利用離焦距離和模糊寬度的評價曲線，得到該處的深度值； 3.3利用相機參數得到物體表面投影到附近聚焦平面的面內坐標； 3.4根據被測物體上各點的深度值和面內坐標，最終得到了被測物體的三維表面形貌。2.如權利要求1所述的基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，其特征在于:所述步驟2中，計算所有照片的模糊寬度，結合與之對應的離焦距離，得到模糊寬度和離焦距離關系的標定曲線;通過標定曲線，得到離焦距離和模糊寬度關系的理論方程中的相關相機參數，最終建立離焦距離和模糊寬度的評價曲線。3.如權利要求1所述的基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，其特征在于:所述步驟3.2中，模糊寬度為沿著散斑邊緣灰度值梯度方向上的模糊區域的寬度，通過模糊區域附近最大灰度值與最小灰度值的差值除以模糊區域內沿著梯度方向上的灰度值分布的斜率得到。4.如權利要求3所述的基于單張圖片的物體三維形貌非接觸測量方法，其特征在于:通過計算測量點與周圍相同距離的點的灰度值差值，灰度值差值最大的兩個點的連線作為灰度值梯度方向。
【文檔編號】G06T7/00GK106097302SQ201610370998
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】方欽志, 錢炯, 俞慧敏
【申請人】西安交通大學