本发明涉及一种提取物体表面三维数据的方法 ， 特别是关于一种在简 易成像系统上提取物体三维表面轮廓的方法。 背景技术

在质量控制、 机器视觉、 医学成像等技术领域， 许多具体应用都是基 于提取物体的三维表面轮廓进行的。 现有技术中提取物体三维表面轮廓的 光学方法有： 基于激光的方法、 云纹法、 干涉法、 摄影测量法、 结构光法 等， 通过上述方法虽然可以获得高精度的表面轮廓 ， 但是上述这些方法都 需要使用投影仪或其他特定设备来提取三维表 面轮廓， 这样不仅增加了整 个系统的复杂性， 而且也提高了成本。

现有技术中还可以利用剪影或可见光图像， 准确、 全角度地提取物体 三维表面轮廓， 利用这两种方法无需使用投影仪等额外设备， 极大地简化 了成像系统， 降低了成本。 利用剪影获取物体表面轮廓的方法采用了视觉 外形技术作为核心算法，但是视觉外形技术较 为复杂，实现起来较为困难。 利用可见光图像获取物体表面轮廓的方法主要 是采用若当变换 （Radon Transform) 为核心算法， 此类算法易于实现， 但是会产生以下问题： 1、 此类算法要求所有的像素点全部参与反投影运 算， 因此提取物体三维表面 轮廓的速度非常慢； 2、 此类算法所采用的平行束反投影的方法与实际 透 镜成像情况不符。 而且， 在提取可见光图像中物体的边界时， 现有技术采 用二值化算法， 此算法难以准确地找到物体边界， 导致后续的轮廓提取产 生误差。 发明内容

针对上述问题， 本发明的目的是提供一种能够在简易成像系统 上快 速、 准确、 全角度地提取物体三维表面轮廓的方法。

为实现上述目的， 本发明采取以下技术方案： 一种提取物体三维表面 轮廓的方法， 其包括以下步骤： 1 ) 设置一包括有一 CCD、一镜头、 若干光 源、 一放置待成像物体的转台和一计算机的成像系 统， 所述转台中设置有 控制器； 2 ) 将从成像系统中得到的物体图像， 利用水平集算法提取待处 理图像中选定区域的物体边界； 3 ) 根据待处理图像的大小得到物体的各 个断层图像，并在各个断层图像上提取该层的 表面轮廓，其包括以下步骤:

①在成像系统中定义旋转坐标系和拍摄坐标 系； ②选取待处理图像的某一 层， 计算该层图像上提取的物体边界距离图像中心 线的距离； ③进行坐标 变换， 即计算物体在各个成像角度时镜头光心在旋转 坐标系中的坐标， 以 及所有待处理图像中物体边界在旋转坐标系中 的坐标； ④利用非平行束反 投影的方法得到物体边界反投影图像； ⑤通过步骤④在得到该层的边界反 投影图像基础上提取物体此层的边界点坐标； ⑥利用滤波器对步骤⑤所得 到的表面轮廓进行平滑处理； ⑦对待处理图像的每一层重复步骤①〜⑥， 得到物体各个断层的表面轮廓； 4)将通过步骤 3 )所得的物体各个断层的 表面轮廓合并起来， 得到物体三维表面轮廓， 具体是指按层的顺序将边界 点按照搜索角度有序排列连接起来。

所述步骤 2 ) 包括以下步骤： ①依次从成像系统中读取物体图像并将 其存储成图像序列， 根据所需要提取物体表面轮廓的精度要求， 将图像序 列中的每一幅图像缩小到原始图像的 咅后得到待处理图像， 其中 0 _{< s} ≤l ;

②从待处理图像中任意选取一幅图像， 通过手动选择需要提取物体三维轮 廓的区域； ③对每一幅待处理图像在选定区域利用水平集 算法提取物体选 定区域的边界。

所述步骤 3 ) 中③进行坐标变换包括以下步骤： ①计算镜头光心和待 处理图像中物体边界在拍摄坐标系中的坐标； ②通过坐标变换公式将拍摄 坐标系中物体边界的坐标换算到旋转坐标系中 。

所述步骤 3 ) 中④利用非平行束反投影的方法得到物体边界 反投影图 像的具体过程为： 利用物体边界坐标和镜头光心坐标确定一条反 投影线， 将所有待处理图像的所有边界的反投影线全部 确定后， 得到物体在某一层 的边界反投影图像， 所述反投影线与光线实际传播路径方向相反。

所述步骤 3 ) 中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点 采用先提 取最大连通区域， 再逐角度搜索的方法。

所述步骤 3 ) 中⑤所述的提取物体此层所选定区域的边界点 采用直接 逐角度搜索方法。

本发明由于采取以上技术方案， 其具有以下优点： 1、 本发明由于采 用了基于物体边界反投影的方法， 仅仅反投影位于物体边界上的像素点， 极大地减少了参与反投影运算的数据量， 因此成倍地加快了轮廓提取的速 度。 2、 本发明由于利用水平集方法取代二值化方法实 现对物体边界的提 取， 在参数选择合适的情况下， 能够自动识别物体边界， 即使是在光照不 均匀的情况也能够较好对物体的边界进行准确 提取， 有效地减小了对物体 表面轮廓提取的误差。 3、 本发明由于采用非平行束反投影的方法， 更加 符合透镜成像的物理规律。 4、 本发明对从成像系统中得到图像进行缩小 处理， 如果对将要提取的物体表面轮廓的精度要求不 高， 就可以通过将图 像缩小减少运算时间， 进一步加快提取表面轮廓的速度。 本发明可以广泛 应用于快速获取物体三维表面轮廓中。 附图说明

图 1是本发明成像系统结构示意图；

图 2是本发明提取物体三维表面轮廓流程示意图� �

图 3是本发明坐标系统示意图；

图 4是本发明利用非平行束反投影获取断层图像� �意图；

图 5是本发明边界反投影图像状态效果图；

图 6是本发明表面轮廓提取示意图；

图 7是本发明提取物体表面三维结果示意图。 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描 述。

如图 1所示， 本发明的三维表面简易成像系统包括一封装在 盒子中的 CCD (电荷耦合器件） 1， 装有 CCD1的盒子前端旋设有一镜头 2， 镜头 2的 两侧设置有拍摄物体时供照明的两光源 3、 4， 两光源 3、 4可以根据实际 需要选用白光或单色光，镜头 2正前方设置有一放置待成像物体的转台 5， 转台 5 中设置有一控制器 （图中未示出）， 计算机 6发送信号通过控制器 控制待成像物体实现绕转轴 360度范围内旋转和上、 下平移， 在拍摄时根 据实际需要选取待成像物体的旋转角度间隔， 即确定 CCD1 拍摄待成像物 体的位置， CCD1将拍摄得到的物体图像发送到计算机 6进行物体表面三维 轮廓信息的提取。

上述实施例中， 光源的数量可以根据实际的实验情况选择使用 若干 个， 只要能满足在拍摄时物体所需要的光照条件即 可。 如图 1〜2 所示， 本发明实施例采集待成像物体的图像时， 采用两白 光光源 3、 4照射到转台 5上的待成像物体， 待成像物体随转台 5选择每 隔 5 ° 沿同一方向旋转（沿逆时针或沿顺时针）即 CCD1在待成像物体每转 动 5 ° 时摄取物体的图像， CCD1将拍摄得到的 72幅物体图像依次发送到 计算机 6， 计算机 6对获取的物体图像进行表面三维轮廓信息提� �的方法 包括以下步骤：

1、 对得到的物体图像利用水平集算法提取待处理 图像中选定区域的 物体边界。

1 ) 计算机 6依次读取 72幅物体图像并将其存储成图像序列， 根据所 需要提取的表面轮廓的精度要求， 将图像序列中的每一幅图像缩小到原始 图像的 咅后得到待处理图像 /， 其中 0 _{< S} ≤1。 例如读取的原始图像大小 512x512， 即表示此幅图像由 512行、 512列像素点组成， 将此幅图像缩小 到原始图像的 0. 5倍， 则缩小后图像的大小为 256x256。

上述图像缩小可以采用现有技术中基于小波变 换、 基于离散余弦变 换、 以及基于降采样 （隔点抽样） 等图像缩小方法， 本实施中采用基于降 采样的图像缩小方法， 具体为： 对一维的 512个像素点而言， 采用降采样 的方法缩小 0. 5倍是指抽取编号为 1、 3、 5、 7、 ……、 511的共 256个像 素点， 舍弃编号为偶数的像素点； 对二维的 512x512个像素点组成的图像 而言， 采用此方法缩小 0. 5 倍是指抽取行列编号都为奇数的像素点， 如 ( 1，1 )， （1， 3 ) 等共 256x256个像素点， 即得到大小为 256x256的图像。

2 )从上述步骤 1 ) 中得到的待处理图像 /中任意选取一幅图像， 通过 手动选择需要提取物体三维轮廓的区域 ?。

处理图像 中选取任意一幅图像在计算机 6上显示出来， 利用鼠 标在该图像上选择需要提取三维轮廓的区域 W， 此时记录所选择区域的坐 标， 由于所有待处理图像的大小都是相同的， 例如 256X256， 所以根据所 选择区域的坐标， 可以得到在其它各幅图像上该区域的位置。

3 )对每一幅待处理图像 /在选定区域 ?内利用水平集算法提取物体选 定区域的 上式中， ^为水平集函数， 为时间 （水平集函数 ^是时间 的函数， 是水平集函数的演化时间）， Δ为拉普拉斯算子， V为梯度， div表示散 度， 0)表示狄拉克 （Dirac ) 函数， g = 为边界指示函数， 其

中， 是标准差为 σ的高斯核函数， /为待处理图像， 为内部能量权重， 为水平集曲线长度权重， V为收敛驱动力权重。 μ、 JL、 v的取值应根据 实际需要确定， 求解此算法使用迭代即水平集演化的方法， 现有技术中迭 代停止条件有多种， 例如满足^ ^ 、 等， 其中， 为水平集 函数增量， A为迭代次数， f > 0为迭代停止阈值， 可以根据实际需要选择 合适的迭代停止条件和迭代停止阈值，本实施 中选择 作为迭代停止 条件， 其中选用的相关参数为^ = 0.2， = 8， v = 8， At = \ , _f = 0.01。 2、 根据待处理图像的大小得到物体各个断层图像 ， 并在各个断层图 像上提取该层的表面轮廓， 具体包括以下步骤：

1 ) 在成像系统中定义旋转坐标系和拍摄坐标系。

如图 3所示， 在成像系统中定义的旋转坐标系 X _F O _F ， 其原点位于转 台 5的转轴处； 定义的拍摄坐标系为 ，其原点位于镜头 2的光心处。

2 ) 选取待处理图像 /的第 层， 计算该层图像提取的物体边界距离图 像中心线的距离 ， 即待处理图像 /的大小为 256x 256， 则待处理图像为 256层， 存储图像的第 层， 对于大小为 256 X 256的图像， 其图像的中心 线为 128. 5列的位置。

3 ) 进行坐标变换即计算物体在各个成像角度时镜 头 2 的光心在旋转 坐标系中的坐标， 以及所有待处理图像中物体边界在旋转坐标系 中的坐 标， 包括以下步骤：

①计算镜头 2 的光心和待处理图像中物体边界在拍摄坐标系 中的坐 标。

根据以下的光学成像公式和所选用 CCD1的参数比例关系，得到镜头 2 的光心在拍摄坐标系中的坐标为 （0，0)， 该层第; t个边界在拍摄坐标系中 的坐标 (v,o， 其中光学成像公式为： 丄―丄 +丄

f ^{u v} (2)

CCD1的参数比例关系：

u _ FOV

( 3 ) 上述公式中， /为镜头 2的焦距， 《为物距， V为像距， w _CCD 为所选用 的 CCD1的实际尺寸中的宽度， ror为所选用的 CCD1的视野大小。

②通过坐标变换公式将上述得到的拍摄坐标系 中的坐标换算到旋转 坐标系中。

如图 3所示， 本实施例中， 转台 5带动待成像物体顺时针旋转， 相对 地拍摄坐标系相对于旋转坐标系逆时针旋转。 当转台 5转动角度为 时， 拍摄坐标系成为 xO ， 此时拍摄坐标系的坐标到旋转坐标系的坐标变 换 公式为：

x _r = x _c cos^-y _c sin^+wcos^

y _r =x _c sin^+ ' _(; cos^+Msin^ (4) 即镜头 2的光心在旋转坐标系中的坐标为： （ _MC0S ^ _MS in^ _; 该层第； t个 边界在旋转坐标系中的坐标为： （ vcos<p— d _k sin^ + wcos^vsin^+^ cos^ + wsin^)。

4) 利用非平行束反投影的方法得到物体边界反投 影图像。

如图 4所示， 由得到的物体边界坐标和镜头 2的光心坐标可以定一条 反投影线， 这条反投影线与光线实际传播路径方向相反， 将 72 幅图像的 所有边界的反投影线全部计算完成后， 得到物体在第 层的边界反投影图 像 （如图 5 所示）。 在本实施例的边界反投影图像中， 反投影线用像素值 为 1的点表示（如图 4、图 5中白色部分），其余部分用像素值为 0的点（如 图 4、 图 5中黑色部分）。

5) 通过上述步骤 4) 得到第 层的边界反投影图像基础上提取物体此 层所选定区域的边界点坐标。

从反投影图像提取表面轮廓有两种方法， 一种为先提取最大连通区 域， 再逐角度搜索的方法， 另一种为直接逐角度搜索方法。

本实施例采用先提取最大连通区域， 再逐角度搜索的方法。 通过对边 界反投影图像 （如图 5所示） 提取最大连通区域首先获得了物体的第 层 断层图像，其中最大连通区域用像素值为 1的点表示 (如图 6中白色部分）， 其余部分用像素值为 0的点表示， （如图 6中黑色部分）， 然后以最大连通 区域的中心点为搜索起始点， 以逆时针方向为搜索方向， 在 360° 范围内 搜索边界， 即当搜索角度为"时， 从搜索起始点向外搜索边界点， 一旦找 到边界点， 就将此时的搜索角度 "和长度^ (长度为搜索起始点到边界点 的距离） 记录下来， 即得到以极坐标方式存储的边界点坐标。 此方法的搜 索起始点为最大连通区域的中心点， 设最大连通区域内共有 个像素点， 每一像素点在旋转坐标系中的坐标为 P( ^X "W， 则最大连通区域的中心点为

N N

N N ， 本实施例中， 取搜角度增量 Δ" = 1°。

直接逐角度搜索法应用于物体的每一层面都包 含转轴的情况， 其轮廓 搜索起始点固定， 可以为反投影图像的中心点即旋转坐标系的原 点。

6)采用有限冲击响应数字低通滤波器对上述步� �� 5 )所得到的表面轮 廓即边界点进行平滑处理。

7 )对待处理图像的每一层重复做步骤 1 ) 〜6)， 得到物体各个断层的 表面轮廓。

3、 将通过上述步骤所得的物体各个断层的表面轮 廓合并起来， 得到 成像物体三维表面轮廓， 具体是指按层的顺序将边界点按照搜索角度有 序 排列连接起来 （如图 7所示）。

上述实施例仅用于说明本发明， 其中成像系统的结构是可以有所变化 的、 提取物体三维表面轮廓的方法的步骤和实施的 前后顺序都是可以有所 变化的， 凡是在本发明技术方案基础上进行的等同变换 和改进， 均不应排 除在本发明的保护范围之外。