一种投影仪伽马校正方法

xiaoxiao2021-2-23  112

一种投影仪伽马校正方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及Ξ维光学测量领域,具体为一种投影仪伽马校正方法。
【背景技术】
[0002] Ξ维光学测量技术具有非接触、无损害等测量优点,可轻易获取复杂物体表面的 Ξ维信息,因此在文物保护、工业制造、医学成像等领域被广泛应用。其中光栅投影测量法 作为一种可靠的Ξ维光学测量技术,通过投影仪向被测物体投射正弦光栅条纹,相机采集 变形条纹图像,运用相移算法W及相位展开技术,将调制在变形条纹的物体深度信息调转 化为相位信息,最后通过系统标定得到被测物体的Ξ维信息。
[0003] 在进行Ξ维测量时,需要投射正弦光栅条纹,由于现在商用投影仪都具有伽马非 线性失真的性质,使投影仪投射的正弦光栅条纹产生崎变,从而严重影响测量精度。为此, 国内外学者进行了研究并提出了许多相位校正方法。目前,相位校正方法主要分为相位补 偿和伽马校正两大类。Zhang(Song Z,化 ing-Tung Y.Generic nonsinusoidal phase error correction for three-dimensional shape measurement using a digital video projector. [J] .Applied Optics,2007,46(1) :36-43.)提出一种查表法,属于相位 补偿法,通过分析相位误差的分布,建立相位误差参照表,进而补偿相位误差;但此方法容 易受到系统噪声的影响,使校正后的相位精度仍然不能满足要求。李中伟(Zhongwei L, Youfu L.Gamma-distorted fringe image modeling and accurate gamma correction for fast phase measuring profilometry.[J].Optics Letters,2011,36(2):154-156.) 提出一种伽马校正方法,采用预编码原理进行相位校正,通过建立系统成像模型求得投影 仪伽马,将投影仪伽马预编到正弦光栅条纹,使光栅条纹的预变形与投影仪产生的崎变相 抵消,从而投射出具有良好正弦性的光栅条纹,可得到精确的相位值。然而,运种方法需要 大量图像(32幅),计算时间长,严重影响测量速度。

【发明内容】

[0004] 针对现有技术的不足,本发明拟解决的技术问题是,提供一种投影仪伽马校正方 法,该方法采用预编码原理实现伽马校正,但只需投射两幅灰度图像即可求得投影仪伽马, 操作简单,计算时间大大缩短,极大提高了校正速度,而且精度极高。
[0005] 本发明解决所述技术问题的技术方案是,提供一种投影仪伽马校正方法,包括W 下步骤:
[0006] 1)搭建硬件校正系统:相机、投影仪和平面形成Ξ角关系;投影仪的视场覆盖整个 平面;平面占相机的60 %-100 %视场;
[0007] 2)计算机生成两幅不同的单一灰度值图像:同一幅图像上每个像素的灰度值都相 等,而且两幅图像间的像素灰度值不同,将两幅图像的灰度值分别用Ii和12表示,所述灰度 值不小于0.3;
[000引3)投影图像与采集图像:将计算机生成的两幅灰度图像经投影仪投射到表面平整 的平面上;同时相机采集平面上的图像并将其传送到计算机中进行图像处理;相机采集的 图像可W表示为
[0011] 式中:表示相机采集的第一幅图像,为相机采集的第二幅图像,ae[0,i]为 待测物体表面反射率,丫为投影仪伽马,Θ表示卷积运算,[?ιΓ表示Ii的丫次幕,[Ι2]γ表示 12的丫次幕,g(x,y)表示系统散焦作用的点分布函数,即
[0012]
[0013] 式中:σ为系统的散焦系数;g(x,y)的傅里叶变换式表示系统的光学传递函数,即
[0014]
(4)
[0015] 式中F{}为傅里叶变换,fx和fy分别对应于变量X和y的频域变量,即为沿X轴和y轴 的空间频率;
[0016] 4)频域变换:将等式(1)、(2)两边同时进行傅里叶变换
[0020] 5)特征点提取:通过对采集图像的频域分析,提取图像在频域内的特征点,求取投 影仪伽马
[0021]
(7)
[0022] 6)预编码图像:将求得的投影仪伽马预编码到正弦条纹图像中,经投影仪投射,即 可得到保持良好正弦性的正弦光栅条纹;预编码后的正弦条纹图像表示为
[0023] ^=[a+b cos(2时χ+δ)]ι/丫 (8)
[0024] 式中:a为正弦函数的基本偏移量,b为正弦函数的幅值,f为正弦函数的数字频率, X为沿X轴的变化量,δ为相移变化量。
[0025] 与现有技术相比,本发明有益效果在于:本发明方法操作简单,根据系统成像在频 域内的分布特征提取特征点,在保证精度的前提下,可实现快速伽马校正,进而提高了系统 的整体测量速度。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明投影仪伽马校正方法的工作原理示意图;
[0027] 图2是本发明投影仪伽马校正方法的流程图;
[0028] 图3是投影仪投射光栅条纹到茶壶表面的图像;
[0029] 图4是未采用本投影仪伽马校正方法得到的茶壶相位分布图;
[0030] 图5是采用本投影仪伽马校正方法得到的茶壶相位分布图;
[0031] 图6是校正前后沿图3所示茶壶截面得到的轮廓曲线对比图;
[0032] 图7是校正前后测量平面得到的相位误差分布图。
【具体实施方式】
[0033] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施 例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技 术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范 围。
[0034] 本发明设计的投影仪伽马校正方法,基于如下硬件设计(参见图1),硬件包括计算 机1、DLP投影仪(简称投影仪)2、CC时目机(简称相机)4和平面3;所述投影仪巧日相机4分别通 过导线与计算机1控制连接;所述计算机1中包含与投影仪2配套的软件、与相机4配套的图 像采集软件、图像处理软件等。运些软件为公知技术,可W商购获得。< br>[0035] 1)搭建硬件校正系统:相机4、投影仪2和平面3Ξ者之间没有严格垂直和平行位置 要求,只需相机4、投影仪2和平面3形成Ξ角关系;投影仪2的视场覆盖整个平面;平面3占据 相机4的60 % W上视场。
[0036] 优选的,投影仪2的光轴与相机4的光轴相交于平面3的中屯、。
[0037] 2)计算机生成两幅不同的单一灰度值图像:同一幅图像上每个像素的灰度值都相 等,而且两幅图像间的像素灰度值不同,将两幅图像的灰度值分别用Ii和12表示;并且对于 图片灰度值的选取不能太小,由于系统量化的影响,图片灰度值过低会使相机拍摄的图片 灰度为零,对于归一化的灰度图像,所述灰度值选取不小于0.3。
[0038] 3)投影图像与采集图像:将计算机1生成的两幅灰度图像经投影仪2投射到表面平 整的平面3上;同时相机4采集平面3上的图像并将其传送到计算机1中进行图像处理。相机4 采集的图像可W表示为
[0041] 式中:巧表示相机采集的第一幅图像,为相机采集的第二幅图像,ae[0,l]为 待测物体表面反射率,丫为投影仪伽马,0表示卷积运算,[ΙιΓ表示Ii的丫次幕,[Ι2]Υ表 示12的丫次幕,g(x,y)表示系统散焦作用的点分布函数,即
[0042]
[0043] 式中:σ为系统的散焦系数。g(x,y)的傅里叶变换式表示系统的光学传递函数,即
[0044]
(4)
[0045] 式中F{}为傅里叶变换,fx和fy分别对应于变量X和y的频域变量,即为沿X轴和y轴 的空间频率。
[0046] 4)频域变换:将等式(1)、(2)两边同时进行傅里叶变换
[0050] 5)特征点提取:通过对采集图像的频域分析,提取图像在频域内的特征点,求取投 影仪伽马
[0051 ]
(7)
[0052] 6)预编码图像:将求得的投影仪伽马预编码到正弦条纹图像中,使正弦条纹产生 反变形,然后与投影仪产生的变形相抵消,经投影仪2投射,即可得到保持良好正弦性的正 弦光栅条纹。预编码后的正弦条纹图像可W表示为
[0053] ];Y=[a+b cos(2时χ+δ)]ι/丫 (8)
[0054] 式中:a为正弦函数的基本偏移量,b为正弦函数的幅值,f为正弦函数的数字频率, X为沿X轴的变化量,S为相移变化量。
[0055] 为了说明本发明方法的校正效果,采用现有的相移技术对一只茶壶进行了测量, 实验结果参见图3-6。从图4和图5可W看出:校正前茶壶的相位分布有一定波动性,运是由 于投影仪伽马引起的相位误差;而校正后茶壶的相位分布更为平滑。图6是沿图3中线AB得 到的校正前后茶壶轮廓曲线,由图6可W看出校正后由投影仪伽马引起的波动相对于校正 前被大大减小。
[0056] 为了定量的说明本发明方法的校正精度,采用现有的相移技术对一个平面进行了 测量。图7是校正前后测量平面得到相位误差分布图,由图7可W看出:校正后相位误差极大 的减小了。表1是由图7得到的校正前后测量平面得到的相位误差结果:校正前最大相位误 差和均方根相位误差分别为〇.1943rad和0.1253rad;校正后的最大相位误差和均方根相位 误差分别为〇.〇122rad和0.0375rad。校正后最大相位误差减小了至少15倍。
[0057] 表 1 [0化引
[0059]~本发明未述及之处适用于现有技术。
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【主权项】
1. 一种投影仪伽马校正方法,包括以下步骤: 1) 搭建硬件校正系统:相机、投影仪和平面形成三角关系;投影仪的视场覆盖整个平 面;平面占相机的60 % -100 %视场; 2) 计算机生成两幅不同的单一灰度值图像:同一幅图像上每个像素的灰度值都相等, 而且两幅图像间的像素灰度值不同,将两幅图像的灰度值分别用1:和1 2表示,所述灰度值不 小于0.3; 3) 投影图像与采集图像:将计算机生成的两幅灰度图像经投影仪投射到表面平整的平 面上;同时相机采集平面上的图像并将其传送到计算机中进行图像处理;相机采集的图像 可以表示为式中:/f表示相机采集的第一幅图像,为相机采集的第二幅图像,ae [〇,1]为待测 物体表面反射率,γ为投影仪伽马,?表示卷积运算,[I1P表示1:的γ次幂,[?2] γ表示I2的 γ次幂,g(x,y)表示系统散焦作用的点分布函数,BP g(x,y) = (l/23T〇2)exp[-(x2+y2)/2〇2] (3) 式中:σ为系统的散焦系数;g(x,y)的傅里叶变换式表示系统的光学传递函数,即式中FU为傅里叶变换,fx和fy分别对应于变量X和y的频域变量,即为沿X轴和y轴的空 间频率; 4) 频域变换:将等式(1 )、(2)两边同时进行傅里叶变换5) 特征点提取:通过对采集图像的频域分析,提取图像在频域内的特征点,求取投影仪 伽马6) 预编码图像:将求得的投影仪伽马预编码到正弦条纹图像中,经投影仪投射,即可得 到保持良好正弦性的正弦光栅条纹;预编码后的正弦条纹图像表示为 Iy= [a+b cos (2^+5)]1^ (8) 式中:a为正弦函数的基本偏移量,b为正弦函数的幅值,f为正弦函数的数字频率,X为 沿X轴的变化量,S为相移变化量。2. 根据权利要求1所述的投影仪伽马校正方法,其特征在于所述步骤1)中投影仪的光 轴与相机的光轴相交于平面的中心。
【专利摘要】本发明公开了一种投影仪伽马校正方法。首先搭建硬件校正系统,利用计算机生成两幅不同的单一灰度值图像,经投影仪投射到表面平整的平面,同时相机采集平面上的图像并将其传送到计算机中进行图像处理;然后在频域分析图像的分布特征,进而提取特征点求得投影仪伽马,最后将投影仪伽马预编码到正弦光栅条纹中,经投影仪投射即可得到保持良好正弦性的光栅条纹。该方法操作简单,由于只处理两幅图像,在保证精度的前提下,可快速实现伽马校正,极大提高了系统的整体测量速度。
【IPC分类】H04N5/74, H04N17/00
【公开号】CN105491315
【申请号】CN201610109658
【发明人】戴士杰, 付津昇, 周国霞, 宋涛
【申请人】河北工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月29日

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