CN101694376B - 一种光学条纹正弦性评测方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学条纹正弦性评测方法，用于基于正弦条纹投射的立体视觉测量中的光学投射条纹的正弦性评测。该方法将投射器出射的光学条纹投于光屏上，调整投射器参数，使条纹按照一定相位间隔P进行连续移相，每次移相后用相机拍摄光屏上的条纹，移相和拍摄次数为2π/P，在多次条纹移相和相机拍摄过程中，投射器、相机和光屏的位置和姿态需保持不变；然后，根据拍摄得到的条纹图像，以条纹上任意一点在不同图像中的灰度值变化，拟合正弦曲线，计算得到投射器出射条纹的误差标准差，作为评测光学条纹正弦性好坏的标准。该方法具有简单、灵活、可靠性好的特点，可用于各种正弦条纹投射器的测试和评价，也可用于影响条纹正弦性的因素分析等方面。

Description

一种光学条纹正弦性评测方法
技术领域
本发明涉及一种光学条纹正弦性评测方法，可用于各种光学正弦条纹投射器的测试和评价，也可用于影响条纹正弦性的因素分析等方面。本发明属于光学三维测量领域。
背景技术
基于正弦条纹投射的立体视觉检测方法是一种典型的非接触光学主动三维测量方法，广泛应用于三维形貌测量、逆向工程和质量检测等诸多领域。基于正弦条纹投射的立体视觉检测方法以摄像机采集投射到物体表面的正弦条纹图像作为测量基础和前提，因此，投射器出射条纹正弦性的优劣决定了系统测量精度的高低，如何能够准确评价和测量投射器投射出的光学条纹正弦性成为目前研究中急待解决的问题。
目前，大多采用条纹的空间分析方法，即将投射器的出射条纹直接投射到光屏上，用摄像机拍摄条纹图像，然后直接分析这幅条纹图像的灰度变化，来确定条纹的正弦性。这种方法的缺点是，条纹图像的灰度变化易受光屏表面反射率变化、相机拍摄角度和镜头畸变的影响，使得条纹图像的灰度变化无法真正反映条纹正弦性的优劣，进而无法正确测量条纹的正弦性。
此外，还有通过对同一投射条纹拍摄多幅图像，利用多幅图像求取条纹噪声，并将条纹噪声作为光学条纹正弦性评价标准，此方法只反映了光学条纹的稳定性，显然无法反映相移等误差对条纹正弦性的影响，不能全面反映光学条纹正弦性的好坏。
总之，光学条纹正弦性评测对于分析基于正弦条纹投射的立体视觉检测方法的测量精度、改进正弦条纹投射器的性能具有重要意义，目前在光学条纹正弦性评测方面还没有比较完备的解决方法，本发明针对此提出了一种简便、准确的光学条纹正弦性评测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学条纹正弦性评测方法，以解决现有技术中的缺陷，用于基于正弦条纹投射的立体视觉测量中的光学投射条纹的正弦性评测。
本发明的技术解决方案为：一种光学条纹正弦性评测方法，用于基于正弦条纹投射的立体视觉测量中的光学投射条纹的正弦性评测，其特征在于包括以下步骤：
(1)将投射器出射的条纹投于光屏上，调整投射器相移控制参数，使条纹按照一定相位间隔P进行多次等间隔连续移相，每次移相后用相机拍摄光屏上的条纹，获得条纹图像序列Img；
(2)根据移相先后顺序，在条纹图像序列Img中的每幅图像上，提取同一坐标(x，y)的灰度值，作为图像灰度数组h1；再将每幅图像对应的移相次数i与相位间隔P相乘，得到与图像灰度数组h1对应的相移数组t1；根据图像灰度数组h1和相移数组t1，采用最小二乘曲线拟合的方法，按照下面公式，计算标准正弦条纹表达式：
Figure G2009102362167D00021
其中，A、B和为需要求取的未知数，A为以图像灰度来表达的正弦曲线的幅值，B为以图像灰度来表达的正弦曲线的直流分量，
Figure G2009102362167D00023
为以图像灰度来表达的正弦曲线的初始相位。
并由A、
Figure G2009102362167D00024
和B，计算标准正弦条纹的在相移数组t1上的灰度值数组h2，
Figure G2009102362167D00025
(3)按照下面公式计算条纹灰度误差数组e
e＝h2-h1
再计算误差数组e的标准差StdH，则投射器出射的光学条纹的误差标准差Std为
Std = StdH A × 100 %
以误差标准差Std作为比较和评测光学条纹正弦性好坏的标准。
其中，步骤(1)中的投射器、相机和光屏的位置和姿态，在多次条纹移相和相机拍摄过程中，保持不变；
其中，步骤(1)中的相位间隔P小于或等于π/4。
其中，步骤(1)中的移相和拍摄的次数为2π/P，P为相位间隔。
本发明的原理是：采用条纹的时间分析方法评测条纹的正弦性，即通过条纹在同一点处、不同相位下的灰度值变化来测量条纹的正弦性。为了保证在一个采样的准确性，在条纹移相和相机拍摄过程中，投射器、相机和光屏的位置和姿态保持不变，否则无法正确得到条纹在同一点处、不同相位下的灰度值。为了确保正弦曲线拟合的正确性，一个周期内的采样点应大于8个，并且保证采样间隔相等，所以，条纹应按照一定相位间隔进行多次等连续移相，相位间隔应小于或等于π/4，移相和拍摄的次数为2π/P。为了屏蔽相机光圈和光屏反射率对条纹正弦性的影响，以条纹相对误差值，即误差数组e的标准差StdH与条纹幅值A的比值，作为评测投射器出射光学条纹正弦性的标准。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)由于投射器、相机和光屏的位置和姿态保持不变，因此，多幅条纹图像中的同一坐标点对应于光屏上的同一点，显然这一点的表面反射率在条纹移相和拍摄过程中不变，这就从根本上解决了光屏反射率分布不均对条纹正弦性测量的影响，提高了条纹正弦性测量的准确性。(2)对于多幅条纹图像上的同一点，光屏反射率、相机拍摄角度、光圈大小和镜头畸变对灰度的影响也是相同的，从而避免了相机拍摄角度和镜头畸变的影响对条纹正弦性测量的影响。(3)投射器、光屏和摄像机可按照基于正弦条纹投射的立体视觉检测系统的工作状态摆放，可完全在系统实际工作状态进行条纹正弦性测试，增加了条纹正弦性评测的真实性和有效性。
附图说明
图1为本发明一种光学条纹正弦性评测方法的流程图；
图2为本发明中的投射器、相机和光屏摆放示意图；
图3为使用本发明的方法实测某投射器得到的光学条纹正弦性曲线结果图。
1、相机  2、投射器  3、光屏  4、条纹
具体实施方式
本发明的一种光学条纹正弦性评测方法具体实施步骤如图1所示。在光学条纹正弦性评测具体实施步骤之前，需要做一些准备工作，先将投射器2和相机1按照实际测量时的位置摆放好，再将光屏3按照基于正弦条纹投射的立体视觉检测系统的工作距离置于投射器和相机的前方，保证投射器出射的条纹4能够照射在光屏上，并且相机能够拍摄到光屏上的条纹，如图2所示。光学条纹正弦性评测方法具体实施步骤为：
(1)将投射器出射的条纹投于光屏上，调整投射器相移控制参数，使条纹按照一定相位间隔P进行多次等间隔连续移相，每次移相后用相机拍摄光屏上的条纹，获得条纹图像序列Img。
在多次条纹移相和相机拍摄过程中，投射器、相机和光屏的位置和姿态保持不变，否则将引起较大测量误差。为了确保正弦曲线拟合的正确性，相位间隔应小于或等于π/4，移相和拍摄的次数为2π/P。
(2)根据移相先后顺序，在条纹图像序列Img中的每幅图像上，提取同一坐标(x，y)的灰度值，作为图像灰度数组h1；再将每幅图像对应的移相次数i与相位间隔P相乘，得到与图像灰度数组h1对应的相移数组t1；根据图像灰度数组h1和相移数组t1，采用最小二乘曲线拟合的方法，按照下面公式，计算标准正弦条纹表达式，
Figure G2009102362167D00051
其中，A、B和
Figure G2009102362167D00052
为需要求取的未知数，A为以图像灰度来表达的正弦曲线的幅值，B为以图像灰度来表达的正弦曲线的直流分量，
Figure G2009102362167D00053
为以图像灰度来表达的正弦曲线的初始相位。
由A、
Figure G2009102362167D00054
和B，计算标准正弦条纹的在相移数组t1上的灰度值数值h2，
Figure G2009102362167D00055
(3)按照下面公式计算条纹灰度误差数组e
e＝h2-h1
再计算误差数组e的标准差StdH，则投射器出射的光学条纹的误差标准差Std为
Std = StdH A × 100 %
以误差标准差Std作为比较和评测光学条纹正弦性好坏的标准。
以下为采用本发明的方法，对某投射器进行光学条纹正弦性评测的一个实例。这里采用的相位间隔P为0.2992，移相和拍摄的次数为21。
表1光学条纹正弦性评测实例数据
  序号   相移数组t1   图像灰度数组h1   灰度值数值h2   误差数组e
  1   0.2992   134   132.95   -1.0526
  2   0.5984   136   135.15   -0.8498
  3   0.8976   134   134.56   0.5633
  4   1.1968   132   131.24   -0.7610
  5   1.496   126   125.47   -0.5275
  6   1.7952   116   117.78   1.7763
  7   2.0944   109   108.83   -0.1658
  8   2.3936   98   99.441   1.4408
  9   2.6928   90   90.431   0.4306
  10   2.992   83   82.604   -0.3956
  11   3.2912   78   76.658   -1.3425
  12   3.5904   74   73.118   -0.8817
  13   3.8896   73   72.301   -0.6987
  14   4.1888   74   74.279   0.2790
  15   4.488   78   78.876   0.8758
  16   4.7872   85   85.683   0.6833
  17   5.0864   95   94.096   -0.9036
  18   5.3856   102   103.37   1.3678
  19   5.6848   113   112.67   -0.3265
  20   5.984   120   121.19   1.1867
  21   6.2832   129   128.15   -0.8490
在此例中，根据表1中的图像灰度数组h1和相移数组t1，采用最小二乘曲线拟合的方法，计算得到的A、B和
Figure G2009102362167D00061
的值为A＝31.5150，B＝103.7547，
Figure G2009102362167D00062
根据表1，计算误差数组e的标准差StdH＝0.9462，光学条纹的误差标准差Std＝3％，光学条纹正弦性较好。图3为光学条纹正弦性曲线结果图，X轴为相移量，即相移数组t1，Y轴为条纹的灰度值，图中实线表示实际条纹图像上的灰度值，虚线表示拟合得到的标准正弦条纹的灰度值。

Claims (4)

1.一种光学条纹正弦性评测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将投射器出射的条纹投于光屏上，调整投射器相移控制参数，使条纹按照一定相位间隔P进行多次等间隔连续移相，每次移相后用相机拍摄光屏上的条纹，获得条纹图像序列1mg；
(2)根据移相先后顺序，在条纹图像序列1mg中的每幅图像上，提取同一坐标(x，y)的灰度值，作为图像灰度数组h1；再将每幅图像对应的移相次数i与相位间隔P相乘，得到与图像灰度数组h1对应的相移数组t1；根据图像灰度数组h1和相移数组t1，采用最小二乘曲线拟合的方法，按照下面公式，计算标准正弦条纹表达式，
Figure FSB00000247697800011
其中，A、B和
Figure FSB00000247697800012
为需要求取的未知数，A为以图像灰度来表达的正弦曲线的幅值，B为以图像灰度来表达的正弦曲线的直流分量，
Figure FSB00000247697800013
为以图像灰度来表达的正弦曲线的初始相位；
并由A、B和
Figure FSB00000247697800014
计算标准正弦条纹的在相移数组t1上的灰度值数组h2，
Figure FSB00000247697800015
(3)按照下面公式计算条纹灰度误差数组e
e＝h2-h1
再计算误差数组e的标准差StdH，则投射器出射的光学条纹的误差标准差Std为
Std = StsH A × 100 %
以误差标准差Std作为比较和评测光学条纹正弦性好坏的标准。
2.根据权利要求1所述的一种光学条纹正弦性评测方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的投射器、相机和光屏的位置和姿态，在多次条纹移相和相机拍摄过程中，保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种光学条纹正弦性评测方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的移相和拍摄的次数为2π/P，P为相位间隔。
4.根据权利要求1所述的一种光学条纹正弦性评测方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的相位间隔P小于或等于π/4。
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