本发明涉及机器视觉与光学测量，尤其是指一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法及系统。
背景技术：
1、随着制造业的快速发展，人们对机械零部件的测量以及检测要求也越来越严格，二维数据由于缺少深度信息，只能记录物体表面轮廓信息，很难准确记录物体的尺寸信息以及姿态特征。为了更好的对零部件进行测量检测，三维测量技术应运而生。三维测量技术中常用的为条纹投影轮廓术。条纹投影轮廓术由于其精度高，设备简单，运算快等优点，广泛用于工业，文化遗产，医学等诸多领域。
2、但在工业中，测量物体通常通过车削、铣削加工处理而成，表面光亮。利用结构光测量时，结构光在测量物体表面经过镜面反射，导致相机的图像传感器饱和，采集的测量物体的图像会缺失部分位置细节，进而导致三维数据缺失，测量的尺寸错误。同理，相机采集图像时，测量物体表面反射率较低的部分条纹模糊，同样会导致数据丢失。由于测量物体表面不同部分的反射率不同，现有技术为保证三维测量的精度，需要采集十分庞大的数据，导致重建测量物体的三维形貌的效率降低。
3、不同反射率的测量物体将导致测量精度降低，且现有技术为保证测量精度，采集的数据量过于庞大，因此，基于光学测量的技术难以完成高质量、高效率的三维形貌重建和测量。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有三维测量技术难以兼顾测量精度与效率的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，包括：
3、利用投影仪向测量对象投射纯白图像，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，分别获得测量对象的roi区域内过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系，在最小曝光时间和最大曝光时间中，依据过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系获取一系列最佳曝光时间；
4、采用多重曝光融合技术，投影仪向测量对象投射相移光栅图像，相机按照获得的最佳曝光时间对测量对象分别进行曝光，获得在不同最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像；对不同的最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像进行融合，得到融合图像；依据融合图像恢复测量对象的三维形貌。
5、优选地，所述利用投影仪向测量对象投射纯白图像，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，分别获得测量对象的roi区域内过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系，包括：
6、投影仪向测量对象投射纯白图像，设置相机的初始曝光时间为0ms，令曝光时间逐次增加固定增量，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，直至测量对象的roi区域内所有像素的灰度值都大于预设阈值h，相机停止采集；
7、统计所采集的每张测量对象的纯白图像的roi区域中过曝光像素的数量，得到过曝光像素数量与曝光时间的关系；统计所采集的每张测量对象的纯白图像的roi区域中灰度值在h~254之间的像素的数量，得到灰度值在预设范围h~254内的像素数量与曝光时间的关系，公式为：
8、；
9、其中，为曝光时间，为纯白图像的roi区域中过曝光像素的数量，为过曝光像素数量与曝光时间的关系；为纯白图像的roi区域中灰度值在h~254之间的像素的数量，为灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系。
10、优选地，所述最小曝光时间的定义为测量对象的roi区域内出现临界过曝光像素的曝光时间；所述最大曝光时间定义为测量对象的roi区域内所有像素的灰度值都大于预设阈值的曝光时间。
11、优选地，所述在最小曝光时间和最大曝光时间中，依据过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系获取一系列最佳曝光时间，包括：
12、从最小曝光时间开始，将最小曝光时间作为第一最佳曝光时间；
13、若当前最佳曝光时间小于最大曝光时间，则计算当前最佳曝光时间中过曝光像素数量以及灰度值在预设范围内的像素数量之和，并将过曝光像素数量以及灰度值在预设范围内的像素数量之和作为下一最佳曝光时间中过曝光像素数量，依据灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系获取下一最佳曝光时间，公式为：
14、；
15、若下一最佳曝光时间大于等于最大曝光时间，则将最大曝光时间作为最后一次最佳曝光时间，停止计算。
16、优选地，所述采用多重曝光融合技术，投影仪向测量对象投射相移光栅图像，相机按照获得的最佳曝光时间对测量对象分别进行曝光，获得在不同最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像；对不同的最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像进行融合，得到融合图像，包括：
17、投影仪生成m幅相移光栅图像，依次投射至测量对象；相机在n个不同的最佳曝光时间对测量对象共采集m*n幅测量对象的条纹图像，存储在条纹图序列中；
18、将在n个不同的最佳曝光时间下采集的测量对象的纯白图像存储在纯白图像序列中；
19、依据序列获取融合图像所需的掩膜图像序列；依据掩膜图像序列得到融合图像。
20、优选地，所述m幅相移光栅图像的光强分布公式为：
21、；
22、其中，m为相移总次数，m为相移索引值，有m=1,2,…m；为第m幅相移光栅图像的光强分布，为相位值，为平均光强，为相位调制度。
23、优选地，所述依据序列获取融合图像所需的掩膜图像序列，公式为：
24、；
25、其中，为掩膜图像序列中第p幅图像在坐标处的像素灰度值，和分别为纯白图像序列中第p幅和第q幅图像在坐标处的像素灰度值，有q=1,2,…,p,…,n，n为最佳曝光时间的总个数。
26、优选地，所述依据掩膜图像序列得到融合图像，公式为：
27、；
28、其中，为融合图像，为掩膜图像序列中第p幅图像在坐标处的像素灰度值，为条纹图序列中第p幅图像在坐标处的像素灰度值。
29、优选地，所述依据融合图像恢复测量对象的三维形貌包括：通过多步位移算法求解融合图像的曝光相位，通过多频外差算法求解融合图像的全局相位，通过相位匹配算法恢复测量对象的三维形貌。
30、本发明还提供了一种基于多重曝光算法的自适应三维测量系统，包括：
31、最佳曝光时间获取模块，用于利用投影仪向测量对象投射纯白图像，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，分别获得测量对象的roi区域内过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系，在最小曝光时间和最大曝光时间中，依据过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系获取一系列最佳曝光时间；
32、图像融合模块，用于采用多重曝光融合技术，投影仪向测量对象投射相移光栅图像，相机按照获得的最佳曝光时间对测量对象分别进行曝光，获得在不同最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像；对不同的最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像进行融合，得到融合图像；依据融合图像恢复测量对象的三维形貌。
33、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
34、本发明所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，获得测量对象roi区域内过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系，进而获得一系列最佳曝光时间；按照所述最佳曝光时间对测量对象分别进行曝光，获得在不同的最佳曝光时间下测量对象的条纹图像，再使用多重曝光融合算法对不同的最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像进行融合，求解全局相位，从而恢复测量对象的三维形貌。与现有技术中利用灰度值获取最佳曝光时间的方法相比，本发明所采集的数据量较少，计算简便，提高了恢复测量对象的三维形貌的效率，且通过实验数据证明，本发明仍能保持较高的精度，解决了现有三维测量技术难以兼顾测量精度与效率的问题。
1.一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述利用投影仪向测量对象投射纯白图像，利用相机采集一组曝光时间逐步递增的测量对象的纯白图像，分别获得测量对象的roi区域内过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系，包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述最小曝光时间的定义为测量对象的roi区域内出现临界过曝光像素的曝光时间；所述最大曝光时间定义为测量对象的roi区域内所有像素的灰度值都大于预设阈值的曝光时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述在最小曝光时间和最大曝光时间中，依据过曝光像素数量与曝光时间的关系以及灰度值在预设范围内的像素数量与曝光时间的关系获取一系列最佳曝光时间，包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述采用多重曝光融合技术，投影仪向测量对象投射相移光栅图像，相机按照获得的最佳曝光时间对测量对象分别进行曝光，获得在不同最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像；对不同的最佳曝光时间下拍摄的测量对象的条纹图像进行融合，得到融合图像，包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述m幅相移光栅图像的光强分布公式为：
7.根据权利要求5所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述依据序列获取融合图像所需的掩膜图像序列，公式为：
8.根据权利要求5所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述依据掩膜图像序列得到融合图像，公式为：
9.根据权利要求1所述的一种基于多重曝光算法的自适应三维测量方法，其特征在于，所述依据融合图像恢复测量对象的三维形貌包括：通过多步位移算法求解融合图像的曝光相位，通过多频外差算法求解融合图像的全局相位，通过相位匹配算法恢复测量对象的三维形貌。
10.一种基于多重曝光算法的自适应三维测量系统，其特征在于，包括：
