基于高动态图像算法的相位轮廓法

MicrocomputerApplicationsVoL27，No．1，2011 开发应用 微型电脑应用 2011年第27卷第1期 文章编号：1007-757X(2011)01-0034-03 基于高动态图像算法的相位轮廓法 邵赛赛，赵宇明 摘要：物体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面为镜面反射材质或是颜色对比明显时，传统的相位轮廓法就会产生一定误差。提出用高动态光栅变形图像 来代替传统的光栅变形图像，使用不同曝光时间的图像合成高动态图像，高动态图像算法同时保留了高光区域的变化信息和 暗色区域的变化信息。最后，进行了实验测试，结果表明，基于高动态图像算法的相位轮廓法具有精度高、适用范围广、硬 件 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 低等优点。 关键词：轮廓检测；高动态图像；相位分布 中图分类号：11P391．4文献标志码：A 0引言 相位轮廓法作为一种新型的、无接触的、高精度的测量 算法，近年来，国内外学者在此领域进行了大量的研究【1,21。 在相位轮廓法中关键的是相位的获得，而常见的相位获得的 方法有相移法和FTP，其中Takeda提出的傅里叶轮廓法， 已成为广泛使用的经典形貌检测方法。但是由于物体表面对 光的反射和吸收的不同，使得相位轮廓法对于不同材质的物 体表面的测量受到一定的限制：一类是由于物体表面是镜面 反射，这会造成所获得图像过饱和或是低对比度；另一类是 由于物体表面颜色的小统一使得对光的吸收率不同，从而造 成所获得的相位的可信度的降低。针对此种问题，文献p'4j 采用了条纹反射技术来测量类镜面物体，但是这种方法仅限 于测量类面型物体，文献151采用了采用偏振滤光膜和辅助摄 像装置来消除镜面反射问题，对于金属表面的镜面反射，偏 振滤光膜的效果有限，另外又增加了其他的硬件设备。诸如 此类方法都是需要增加不同的设备以克服表面材质带来的 影响，并且需要进行多次测量，在工程测量中必然会受到诸 多限制。 对此，本文提出了一种基于高动态图像算法16J的相位轮 廓法，利用高动态图像算法获得原本由于表面材质的影响所 缺失的相位信息，从而较为准确地恢复出物体的三维轮廓。 高动态图像算法利用对相机的不同曝光量的控制来获得物 体表面反射到镜头内的真实的光通量，从而能够得到物体表 面真实的光强变化，这样就能获得较为准确的相位值。 l相位轮廓法 如图1，相位法的基本系统由投影装置和摄像装置组 成，投影装置的光轴和摄像装置的光轴必须保持一定的角 度。为了求解出物体的高度h，根据ABCD[36dBg，则： 丝：上 I(1)一=一 I-d 1一h 、7 而： DC=(霞一q口o)／2石厂=(％一％)／2石厂 (2) 这里缈为相位值，厂为所投影光栅空间频率。根据上述 公式(1’2)，从而得出：．扣盘 (3) ， 。， 其中，仍D=仍一9,D。因此只要B点和D点的相位值， 再根据标定参数d和，，利用公式(3)就可以得出物体的高度。 图1测量系统光路图 1．1相机响应曲线 真实世界的动态范围高达106，而相机只有255，因此 相机通过控制曝光量等一系列非线性映射，将真实世界的光 照量映射到相机的动态范围内。这种非线性映射必定会损失 大量的细节，尤其对于动态范围较高的场景，往往只能获得 一部分区域的信息，其他区域或者是过饱和，或者是过暗。 如图f2)所示。 图2不同曝光p的图像 作者简介：邵赛赛，男，浙江．上海交通大学图像处理与模式识别研究所，硕十研究生。计算机视觉，上海200240 赵宇明，女，上海，上海交通大学图像处理与模式识别研究所，副教授，计算机视觉·上海200240 ·34· 万方数据 MicrocomputerApplicationsVoL27，No．1，2011 开发应用 微型电脑应用 2011年第27卷第1期 假定由场景进入相机光量为且，相机所获得的该场景的 像素值为z，而这种非线性的映射关系为，则： z=f(EAt) (5) 这里厂为相机响应曲线，△f为曝光时间，这里我们假 定／为单调不递减的，则通过解得／1就可以恢复出光鼍F。 对于相机响应函数．厂的获得，这里选用【6】的方法来恢复 ．相机响应曲线。反解(5>得： f。1(Z)=E△f (6) 两边取对数并令／1(Z)为g(Z)，则： g(Z)=lIlE+111At (7) 使用最小二乘法并且约束g为二阶光滑，可以得到目标 方程： O=∑∑{以z，)【g(乙)山E—la够】}+ 。。 ： 。(8) A∑【叫z)g’(z)】 这里的i指的是第i个像素，J指的是第_，个曝光时间， ■是平滑因子。根据实际经验，相机一般在动态范围中间区 域所得到的像素值比较可靠，因此这里添；bn-角权重函数作 为约束： |z-z柚forz≤{(Z舭+Z眦) 呱z)={ ： (9) lz眦一zforz>{(z姗+z蛳) 这样，根据目标方程就可以解出相机响应曲线的反函数 g。 1．2重建高动态图像 恢复出相机响应曲线后，就可以利用公式(7)得到场景 的真实光量E： lIlE=g(Z)一haAt (10) 根据公式(7)虽然一幅图像也能够恢复出高动态数据日， 但是为了使得鲁棒性更高，并且覆盖整个所获得的动态范 围，利用多张图像，使用权重函数使像素值在相机动态范围 中间的区域获得更高的权重，可得：hE：盟譬掣 (11)∑-w(z，) ”⋯ 由于使用了多张不同曝光时间的图像，并且使用权重函 数来约束像素值，这可以有效地抑制噪声和过饱和斑的影 响。 因此，高动态图像的获得需要以下2个步骤来完成： 1．对一个固定场景j}j相机拍得不同曝光时间下的图像， 曝光时间应是以指数增长，如：20，21，22，⋯。利用这些 图像来求得相机响应曲线，相机响应曲线是相机的固有特 性，故一部相机只需求得一次。 2．对想要获得高动态图像的场景利用相机拍得一系列 不同曝光时fHJ的图像，曝光时间如上要求，利用这些图像来 合成商动态图像。 ·35· 1．3相位的获得 相移法的相位获得有许多方法，如三相法、四相法【71， 这里描述的最dx-乘法lB】是一种最基本的相位获得法，上述 的方法可钉最d,-乘法推得。 在传统的相移法中，在每一个正弦光栅的投影下都获得 一张变形光栅的图像，利用这些图像来计算相位值。而在基 于高动态图像算法的相移法中，在每一个投影的正弦光栅下 取得一系列不同曝光时间的图像，利用这些不『司曝光时间的 图像合成高动态图像，因此就会得到Ⅳ幅不同正弦光栅下 的高动态图像，对于第i幅图像，其中点@∥)的亮度值可以 表示为： t(x，y)=，。(墨y)+，。(墨y)cos【≯(ty)+4】(12) 这里，’(x，y)是亮度平均值，，‘(鼍y)是光波振幅，而 ≯(五y)就是所求的相位值。故： ≯(工，y)：tan一1(二掣兰掣) (13) 而： l ao(x，y)I l q(x，J，)I=A。1(巧)B(x，Y，4) (14) L口2(x，Y)J 其中： f^， ∑m㈣ ∑辄【4)1 『∑‘1 -4(4)=l∑删)∑耐髓)∑州4)刚4)lB(x,y，4)=I∑‘cos(4)l(15) 【∑锄(4)∑叫4)州4)∑m’(4)J【∑‘sIn(4)J 这样就获得了所求的相位值。但是在投影光栅的相移法 中所求得只是相对相位值，它虽然在一个周期内足唯一的， 但在整个测量窄问内并不唯一，冈此必须对空间点的相对相 位值进行展开，相位展开之后就可以按相移法的原理恢复出 物体表面的轮廓。 2实验的分析 为了验证本方法的有效性，利用搭建的测试系统进行实 际测最。其中系统硬件为液晶投影仪、摄像机、微机组成， 软件由c++语言编制，对于结果评价则使用Matlab。实验 选用的测试物体是一块表面喷涂上不同颜色油漆的金属板， 由于不同的表面颜色对光的吸收率的小|司，使得拍摄所得的 变形光栅图像各部分呈现出4i同的光强变化。 实验选用了金属板L的4个不M区域进行评价，如图(3) 所示，这4个区域对光的吸收和反射各不相同，其中区域A 是镜面反射区域，呈现出高光；区域B，C，D分别3种不 同表面颜色区域，其中B，D区域为暗色区域，C是亮色区 域。对这4个区域采J}j原理l中的相移法恢复}H物体的高度 值，并且假定平面足相对光滑的，对高度值进行平面拟合， 采用拟合后的误筹标准偏筹值来评价所测平面的准确性。实 验选择了6种不同的曝光时间：00125s，0025s，005s，0．1s， 0．2s，0．4s。对这6种曝光时间下的所获得的光栅变形罔分 别做测试，最后利用这6种曝光时间下的图像合成高动态光 万方数据 MicrocomputerApplicationsVoi．27，No．1，2011 开发应用 微型电脑应用 2011年第27卷第1期 栅变形图像，对高动态图像结果做测试，对于测试结果进行 误差分析，其标准偏差值如表l所示。其中金属板区域的光 栅变形图、相付展丌=图和高度图像如图4所示。 图3待测金属板 图4待测金属板结果 表1实验组所获结果 ＼ ＼堤差(姗) 高动态图像 0．012590．025s0．05s0．h 0．2s 0．40 实验组弋＼＼ areaA O．39340．49580．95931 1384O．9706l 04671．16ll arf,aB O．2766051760．4227047320．370490．525705302 ate．,aC 0．43841．39260．63770．98390．47661．35870．8328 afcaD O．38470．3719O．376804083O．42140．42990．4162 从表l中可以看到，由合成的高动态光栅变形图像所获 ·36· 得的实际高度值，其误差标准偏差值基本小于普通图像所得 到的，不论是在高光区域A还是在暗色区域B，D，高动态 图像都获得了较好的结果。 通过上述的实验可以看到高动态图像算法的相位轮廓 法具有以下优点： 1．低成本。此种方法是建立在不增加其他硬件的基础上 的，只需通过调节曝光时间来获得完整的信息。因此没有额 外的成本支出。 2．简单。在整次测量过程中，无需再调整系统位置，设 置系统标定参数，因此较容易实现。 3．通用性。相较其他的方法对于此种问题的解决方法， 此方法对于物体的形貌和材质没有过多的限制，因此具有更 好的通用性。 诚然，基于高动态图像算法的相位轮廓法对于高对比度 的物体的测量由于传统的相位轮廓法。但是，对于镜面反射 物体，由于物体形貌而造成的区域之间相互反射，或是被测 区域进入相机盲点之类的问题是无法解决的。因此通过结合 其他方法，诸如多投影装置或多摄像转置，可取得更好的结 果。 3结论 文章提出了一种新的基于高动态图像算法的相位轮廓 法，该方法利用相机的曝光特性，以软件的方法获得相机的 在各个曝光时『日J的最佳结果，克服因为物体表面材质而造成 的三维测量误差，该算法以不增加硬件设备为基础，使得该 算法更具实用性。 参考文献 【l】HuangPS，ZhangC，andChiangFEHigh-speed3-d shapemeasurementbasedOIldigitalfringeprojection[J]， Opt．Eng，2006,42(1)：163-168，2003． 【2】2 ZhangSandHuangPHigh-resolution,real-timedynamic 3 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 2005,26(4) 5. 杭添.江兴智.赵宇明.HANG Tian.JIANG Xing-zhi.ZHAO Yu-ming 基于多通道图像的非彩物体图像高动态合成 [期刊论文]-计算机工程2010,36(22) 6. 汪亚明.黄文清.周海英 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