CN101655360A - 一种可绝对位相展开的十六步双频光栅相移轮廓术 - Google Patents

Abstract

本发明是三维传感技术中一种可绝对位相展开的十六步双频光栅相移轮廓术。采用计算机进行设计编码生成十六幅双频光栅图案，运用数字光投影仪依次将光栅图案瞬时成像在物体表面上，通过摄像装置记录下物体的变形条纹图，随后利用两个频率光栅之间的函数关系，用绝对位相展开方法直接实现整个视场范围内点对点的相位展开，与位相展开路径无关，有效抑制位相展开的误差扩散累计问题，用位相测量轮廓术对这些变形条纹进行处理，能够精确地恢复出物体的三维面形，进一步分析数据处理结果可以获得诸如物体变形等一些数字化信息。本发明可以用于具有漫反射特性的物体表面特征的测量研究。本发明具有测量精度高，对物体表面形貌适应性强等优点。

Description

一种可绝对位相展开的十六步双频光栅相移轮廓术

一、技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于位相测量轮廓术方法的用双频光栅实现对物体的三维面形测量。

二、技术背景

三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、精度高、大面积测量、易于自动控制等优点获得广泛的研究和应用。现有的光学三维传感方法主要包括：三角测量法、莫尔条纹法(MoiréTopography，简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)、空间相位检测术(SpatialPhase Detection，简称SPD)、位相测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，简称PMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制，来获得物体的三维面形信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是傅立叶变换轮廓术和位相测量轮廓术。傅里叶变换轮廓术是通过对变形条纹图像进行傅里叶变换、频域滤波和逆傅里叶变换等步骤实现的。傅里叶变换轮廓术只需要用一帧条纹图来重建三维面形，实时性较好，可以用于动态过程的三维传感；但由于其涉及到滤波操作，频谱混叠会降低测量精度，该方法对环境光也比较敏感。位相测量轮廓术则需要从多帧相移条纹图形来重建三维面形，具有很高的精度。位相测量轮廓术的测量精度与光栅条纹周期有关，小的条纹周期测量精度更高，但对物体表面面形的适应性较差；大的条纹周期对物体表面具有较强的适应性，但测量精度受到限制。如何既保证位相测量轮廓术的测量精度，又使之能测量面形复杂的物体，应用本发明提及的方法就可以解决这一关键技术难题。

三、发明内容

本发明的目的则是针对传统的位相测量轮廓术无法同时保证测量精度和测量范围的缺陷，提出一种在三维传感技术测量中用双频光栅实现三维面形测量的方法。这种方法能非常好地做到对面形复杂的物体的三维重建，并具有较高的测量精度。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

采用计算机设计编码产生所需要的十六帧双频光栅图案，即对透射光场进行面结构编码，然后用数字投影设备将这些光栅图案先后投影在物体表面，并用摄像器件采集受到物体面形调制的变形条纹。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明使用双频光栅，使三维传感光学系统结构能够同时保证测量精度和测量范围的要求。

2.本发明相比其他的双频光栅相移轮廓术，可以直接实现整个视场范围内点对点的绝对相位展开，与位相展开路径无关，有效抑制了位相展开中的误差扩散累计问题，具有较高的测量精度。

3.本发明相比傅立叶变换轮廓术具有更高的测量精度；而相比传统的位相测量轮廓术，对物体表面面形具有更强的适应能力。

4.本发明通过计算机软件可以灵活设计所需要的光栅编码，光栅的重复设计过程也非常简单，因此可以在很短的时间内得到所需要的光栅图案。

四、附图说明

图1位相测量轮廓术的光路示意图。

图2通过计算机设计编码的十六帧双频光栅图案之一。

图3受到物体面形调制的十六帧变形条纹之一。

图4用上述技术方案恢复的物体。

五、具体实施方式

下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。

用双频光栅实现实时三维面形测量的光路与传统的位相测量轮廓术的光路相似。图1是PMP方法的投影光路，P₁和P₂是投影系统的入瞳和出瞳，I₂和I₁是成像系统的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴的夹角为θ，它们相交于参考平面上的O点，d为探测器光心到投影设备光心之间的距离，l为探测器光心到参考平面之间的距离。

采用非整数倍双频光栅投影的测量模型，其测量原理如下：

采用两频率成非整数比例的双频光栅，两条纹周期为P1、P2且P1∶P2＝4∶(4n+1)进行投影，由CCD获取的光栅像强度分布为：

$I(x,y)=A(x,y)+B_1(x,y)\mathrm{cso}[\frac{2\mathrm{\π}}{P_1}x+{\mathrm{\θ}}_1(x,y)]+B_2(x,y)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{P_2}x+{\mathrm{\θ}}_2(x,y)]---\left(1\right)$

其中A(x，y)表示背景强度，θ₁(x，y)、θ₂(x，y)、B₁(x，y)、B₂(x，y)分别为条纹周期为P1、P2的初始相位和条纹对比。连续获取16帧图像，第k帧图像的光强分布可表示为：

$I_k=A+B_1\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{P_1}\×(k-1)\frac{P_2}{4}+{\mathrm{\θ}}_1]+B_2\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{P_2}\×(k-1)\frac{P_2}{4}+{\mathrm{\θ}}_2]---\left(2\right)$

其中k＝1-16。由(2)式可得到：

${\mathrm{\θ}}_1+2\mathrm{\π}\frac{(m-1)P_2}{4P_1}=\arctan \left(\frac{I_{m+12}-I_{m+4}}{I_m-I_{m+8}}\right)={\mathrm{\δ}}_m---\left(3\right)$

式中m＝1-4，由(2)和(3)可得：

$B_1=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^4{(-1)}^m{I}_m}{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^4{(-1)}^m\cos \left({\mathrm{\δ}}_m\right)}---\left(4\right)$

令：I′_m＝I_m-B₁ cos(δ_m)    (5)

可得： ${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \left(\frac{I_4^{\′}-I_2^{\′}}{I_1^{\′}-I_3^{\′}}\right)---\left(6\right)$

例如，采用条纹周期P₁∶P₂＝4∶33进行投影，在x方向上以等间距P₂/4增长，用CCD相机连续拍摄16帧图像，其光强分布可表示为：

$I_n=A(x,y)+B_1(x,y)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{P_1}\×(n-1)\frac{P_2}{4}+{\mathrm{\θ}}_1]+B_2(x,y)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{P_2}\×(n-1)\frac{P_2}{4}+{\mathrm{\θ}}_2]---\left(7\right)$

其中，n为拍摄的条纹图帧序数(n＝1，2…16)，而 $\frac{2\mathrm{\π}{P}_2}{4P_1}=\frac{2\mathrm{\π}\×33}{4\×4}=4\mathrm{\π}+\frac{2\mathrm{\π}}{16}.$ 则拍摄的16帧图像强度可具体表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=A+B_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+B_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\\ I_2=A+B_1\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{16}+{\mathrm{\θ}}_1)+B_2\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\θ}}_2)\\ I_3=A+B_1\cos (\frac{4\mathrm{\π}}{16}+{\mathrm{\θ}}_1)+B_2\cos (\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_2)\\ \·\·\·\·\·\·\\ I_{16}=A+B_1\cos (\frac{30\mathrm{\π}}{16}+{\mathrm{\θ}}_1)+B_2\cos (\frac{3\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由方程组(2-37)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{I_{13}\_I_5}{I_1-I_9}\right)\\ {\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{16}+{\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{I_{14}-I_6}{I_2\_I_{10}}\right)\\ {\mathrm{\δ}}_3=\frac{4\mathrm{\π}}{16}{+\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{I_{15}-I_7}{I_3-I_{11}}\right)\\ {\mathrm{\δ}}_4=\frac{6\mathrm{\π}}{16}+{\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{I_{16}-I_8}{I_4-I_{12}}\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

由方程组(8)、(9)可得：

$B_1=\frac{I_1+I_3-I_2-I_4}{\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)-\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+\cos \left({\mathrm{\δ}}_3\right)-\cos \left({\mathrm{\δ}}_4\right)}---\left(10\right)$

令：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1^{\′}=I_1-B_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)=A+B_2\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ I_2^{\′}=I_2-B_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)=A+B\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{+\mathrm{\θ}}_2\right)\\ I_3^{\′}=I_3-B_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_3\right)=A+B\cos \left({\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}}_2\right)\\ I_4^{\′}=I_4-B_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_4\right)=A+B\cos (\frac{3\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.---\left(11\right)$

由方程组(11)可得： ${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \left(\frac{I_4^{\′}-I_2^{\′}}{I_1^{\′}-I_3^{\′}}\right)$

求解出来的θ₁、θ₂包含了物体对条纹1和条纹2的相位调制，它们都被限制在(-π，π)内，由于条纹2对物体表面具有更强的适应能力，先对θ₂进行位相展开，然后利用θ₁和θ₂的位相关系对θ₁进行位相展开，这样求解出来的条纹1上物体的绝对位相具有很强的可靠性。通过对系统的标定可以获得物体的三维面形。

图2是通过计算机设计编码的十六帧双频光栅图案之一。

图3是受到物体面形调制的十六帧变形条纹之一。

图4是用上述技术方案恢复的物体。

Claims (5)

1.一种适用于三维传感技术测量中使用双频光栅实现对物体三面形实时测量的方法，其特征在于使用照明光源，将等步相移双频光栅的模板图案投影到物体表面，用摄像装置记录下变形的光场图像，对获得的变形光场图像进行处理从而得到物体瞬时的三维面形分布。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于对所设计的双频光栅实行十六步相移，利用两个频率光栅之间的函数关系，直接实现整个视场范围内点对点的绝对相位展开，与位相展开路径无关。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的双频光栅的模板，是指采用计算机设计编码、采用光学手段实现的投影面结构调制模板，其包括双频正弦光栅、双频罗奇光栅编码模板。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的对获得的变形光场图像进行处理，是通过相移法获得不同频率条纹的截断位相，根据时间位相展开的方法得到连续位相，运用传统的位相测量轮廓术获取物体的面形分布，这些操作目的是通过解调相位的方法获取物体的面形分布，也包括利用空间位相检测方法对变形光场进行处理，获取物体的面形分布。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于使用双频光栅，研究物体的三维信息，进行模式识别或提取物体的某些特征参数，如面形、姿态、变形量、特征点距离等。

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