CN101936716B - 轮廓测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮廓测量方法，其包括：S1、相机标定；S2、对条纹Mi分别进行相位-高度标定；S3、将M1投影在被测物上，根据相位-高度标定求得各观测点的高度坐标，再根据相机标定求得该各观测点的三维坐标；S4、利用前一步较宽频条纹的测量结果辅助下一步较窄频条纹解包裹获取相位，再利用标定数据，完成一次更为精确的测量；S5、循环执行步骤S4，直至对被测物的轮廓测量达到预定的精度。本发明能够对复杂外形被测物表面轮廓进行大范围且高精度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种轮廓测量方法，特别是涉及一种基于多频率正弦条纹投影的三维轮廓测量方法。
背景技术
现有的三维轮廓测量方法多种多样，常用的例如反傅里叶法或多步相位移法等等。但在这些方法中，被测物表面的剧烈变化往往会对相位分析产生干扰，在测量精度方面也存在着不足，因此很难实现对复杂外形被测物表面轮廓的高精度测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的轮廓测量方法精度不足的缺陷，提供一种能够对复杂外形被测物表面轮廓进行大范围且高精度测量的轮廓测量方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种轮廓测量方法，其特点在于，该方法采用一测量装置，该测量装置包括一相机以及一投影单元，该方法包括：S1、进行该相机的标定；S2、利用该投影单元生成正弦条纹Mi，i＝1～n，n为大于1的正整数，该些条纹的频率F(Mi)满足F(M1)＝1/2F(M2)＝1/22F(M3)＝...＝1/2(n-1)F(Mn)，利用校正板对该些条纹Mi分别进行相位-高度标定；S3、将M1投影在被测物上，移动该测量装置使该相机FOV覆盖的被测物表面上各点到该测量装置的距离均在M1的测量范围内，获取由该相机观测到的各观测点的相位并对其解包裹，根据相位-高度标定由经过解包裹的该各观测点相位求得该各观测点的高度坐标，再根据相机标定求得该各观测点的三维坐标；S4、移动该测量装置使被测物的至少部分表面进入Mk的测量范围，此处取k＝2，然后将Mk-1投影在被测物上，获得该部分表面对应的各观测点的三维坐标并模拟出轮廓曲面，获取Mk的每个相位投影面与该轮廓曲面的各交点对应的各观测点的相位并对其解包裹，根据相位-高度标定由经过解包裹的该各观测点相位求得该各观测点的高度坐标，再根据相机标定获得该各观测点的三维坐标，而后将k的取值增加1；S5、循环执行步骤S4，直至对被测物的轮廓测量达到预定的精度。
较佳地，该相位-高度标定过程包括以下步骤：S11、将Mi投影于校正板上，移动该测量装置分别至一第一位置、一第二位置及一第三位置，在该三个位置处分别获取同一观测点的相位
其中该三个位置均在Mi的测量范围内；S12、在该第一位置的相位图中取一与条纹方向相交的直线，在该直线上取点P1’、P2’、P3’，并使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于
记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。
较佳地，根据相位-高度标定求得观测点的高度坐标的过程包括以下步骤：S21、在该直线上取点Pc’，并使该Pc’点的相位等于该观测点的经过解包裹的相位；S22、设该观测点的高度坐标为Hc，由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得Hc，其中H1、H2、H3为该测量装置分别处于该三个位置时在步骤S11中所述的该同一观测点的高度坐标。
较佳地，步骤S4、S5的解包裹过程中定义相位还原原点的方法为：设观测点的相位为
通过计算
的值确定该观测点对应的相位还原原点。
较佳地，利用反傅里叶法或多步相位移法获取由该相机观测得的各观测点的相位。
本发明的积极进步效果在于：本发明以宽频条纹的测量结果为向导，调整相机位置以精准对焦，从而令测量区域的条纹投影更加清晰，前一步较宽频条纹的测量用以辅助下一步较窄频条纹的相位还原，由此便排除了被测物轮廓剧烈变化对相位分析产生的干扰，能够准确地判断相位还原原点并实施解包裹，从而使测量精度得到了提高。在整个测量过程中，不断地调整相机使之对焦于更加细致的条纹，并且采用不同方向的投影，通过循环迭代的方法实现对被测物每个高度、每个待测面的全方位精密测量。另外，相对于传统的分区域拼接方式，本发明能够更快速地实现对被测物的全域检测，避免拼接误差。
附图说明
图1a为本发明采用的测量装置的第一示意图。
图1b为本发明采用的测量装置的第二示意图。
图2为本发明采用的校正板的示意图。
图3为本发明采用的相位-高度标定的示意图。
图4为本发明中下一步较窄频条纹的相位投影面与利用上一步较宽频条纹拟合出的轮廓曲面的相交示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1a和图1b所示，本发明采用的测量装置主要包括两个部分，第一部分为一装设有低畸变率镜头的照相相机，第二部分为一投影单元，该投影单元可以采用一投影仪(图1a的情况)，也可以采用一由照明光源、准直镜组、正弦光栅及投影镜头构成的光栅投影装置(图1b的情况)。该测量装置固定在如图1a和图1b所示的Z轴上，并且可以在马达的带动下沿Z轴移动，以调整其与载物台上的校正板或被测物的距离。
本发明的轮廓测量方法要利用至少两个不同频率的正弦条纹，该些正弦条纹由上述投影单元生成，例如通过采用至少两个不同频率的正弦光栅实现。设该些正弦条纹为Mi，其中i＝1～n，n为大于1的正整数，在实际测量时根据测量精度的要求来确定循环迭代的轮数，轮数既定，n的数值也便可以相应确定了。在本实施例中，要求该些条纹的频率成倍增加，即该些条纹的频率F(Mi)满足F(M1)＝1/2F(M2)＝1/22F(M3)＝...＝1/2(n-1)F(Mn)。
本发明通过将正弦条纹投影在被测物表面上，然后通过相机对各个观测点进行观测，并对观测数据进行处理，以最终获得各个观测点的三维空间坐标，从而重建出被测物的三维轮廓。
在上述的测量原理下，每个条纹Mi都是具有一定的测量范围的。相机观测到某一条纹投影在不同距离的被测面上会产生一定的相位移，设在第一被测面上的相位为p1，在第二被测面上的相位为p2，则相位移为p1-p2，该相位移的大小可能未超过一个周期，即|p1-p2|＜2*π，也可能超过一个周期，即
此处对m的识别也称为定义相位还原原点。单频率条纹投影的方式会受此特性影响，当不能精确定义相位还原原点时，精确测量范围便受到了限制。考虑到上述因素，本发明仅要求最宽周期的条纹M1投影在被测物上时相位移限制在一个周期内，对其余相对较窄周期的条纹Mi(i＞1)则不作相位移大小的限制，相应地，在循环迭代的过程中利用前一步较宽频条纹的测量来辅助下一步较窄频条纹测量时的相位还原，从而可以准确地确定相位还原原点，继而准确地进行相位去包裹，由此便排除了被测物轮廓剧烈变化时对相位分析产生的干扰，提高了测量精度。另外，因为相机的分辨率有限，频率较高的条纹投影只能在较小的距离范围内被相机清晰识别。因此综上所述，在本发明的测量系统中每个频率的条纹投影Mi都对应有一定的测量范围MRANGE(Mi)。
下面对本发明的轮廓测量方法进行详细说明：
S1、进行该相机的标定，以获取该相机的内外参数。
S2、对每个正弦条纹Mi建立相位-高度标定，即通过相机识别校正板(如图2所示)上的圆圈中心，并利用相机的标定参数计算出校正板平面的位置d，该种相位-高度标定方法可以克服Z轴马达以及载物台平行度的误差。
其中，该步骤S2中的相位-高度标定过程具体包括以下步骤：S11、将Mi投影于平放在载物台上的校正板上，启动Z轴马达，移动该测量装置分别至一第一位置、一第二位置及一第三位置，处在该三个位置时该测量装置与校正板之间的距离分别为d1、d2、d3，保证d1、d2、d3∈MRANGE(Mi)，通过相机分别在该三个位置处拍摄条纹Mi的投影图案，然后利用反傅里叶法或多步相位移法获取同一个观测点(u0，v0)在这三种情况下的相位 
S12、如图3所示，在位置d1的相位图中取一条与条纹方向垂直或相交(夹角应大于45°)的直线le，在该直线le上取点P1’、P2’、P3’，使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于
记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。
S3、取下校正板并将被测物置于载物台上，利用M1对被测物投影，移动该测量装置使该相机FOV(Field of View，观测区域)覆盖的被测物表面上各点到该测量装置的距离均在MRANGE(M1)内。而后，使用反傅里叶法或多步相位移法获取相机观测到的各个观测点的相位，并对该些相位解包裹，接着将该些经过解包裹的相位代入上述相位-高度标定中确定的相位-高度关系中，便可以求得各观测点的高度坐标，再根据相机的标定参数进一步求得各观测点的三维空间坐标，继而便能够重建出相机观测区域中被测物的三维轮廓。至此，已经利用条纹M1对被测物的轮廓完成了一轮粗略的测量。
其中，当在步骤S2中采用了上述的相位-高度标定方法时，相应地，由观测点的经过解包裹的相位计算得出该观测点的高度坐标的方法如下：S21、仍如图3所示，设某一观测点的经过解包裹的相位为在该直线le上取点Pc’，使该Pc’点的相位等于
S22、设该观测点的高度坐标为Hc，则Hc可由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得，其中H1、H2、H3为该测量装置分别处于上述三个位置d1、d2、d3时上述观测点(u0，v0)的高度坐标，而诸如(P1’-P3’)等等表示的则是相位图面中的欧氏距离。解得该观测点的高度坐标Hc后，通过相机内部参数模型即可得出该观测点在相机空间中的三维坐标(x，y，Hc)。
其中，当将M1投影在被测物上时，若被测物表面变化过大，超出了MRANGE(M1)，则可以对被测物采取分块测量的方式，或是调宽条纹周期、并返回步骤S2重新进行标定。
S4、当该测量装置处于上一步骤中的位置时，若被测物表面上所有的点到该测量装置的距离都超出了MRANGE(Mk)(第一次执行步骤S4时取k＝2，之后每再一次执行步骤S4时均如下所述地将k的取值增加1)，则沿Z轴移动该测量装置，使被测物的至少部分表面п进入MRANGE(Mk)(第一次执行步骤S4时即MRANGE(M2)，之后每再一次执行步骤S4时依次为MRANGE(M3)、MRANGE(M4)...)。在该位置处再次将Mk-1(第一次执行步骤S4时即M1，之后每再一次执行步骤S4时依次为M2、M3...)投影在被测物上，然后通过与步骤S3中相同的方法再次计算获得此时各观测点的高度坐标，从而算出在本步骤中该测量装置沿Z轴的准确移动距离，以避免在该测量装置的移动过程中产生误差。根据该测量装置的准确移动距离，推算出该部分表面п上的各点所对应的三维空间坐标，并对该各点样条插值拟合出轮廓曲面г。如图4所示，在步骤S2的标定过程中，可以得到条纹Mk(第一次执行步骤S4时即M2，之后每再一次执行步骤S4时依次为M3、M4...)的每个相位投影面
设该些相位投影面与该轮廓曲面г的交点集合为E，若点e∈E，根据其投射在相机空间(u，v)中的位置，便可以使用反傅里叶法或多步相位移法得到相应观测点的相位
通过计算
([]表示取最小整数的运算)，便可以确定相对于参考面该观测点发生了多少个整周期的相位移，从而便可以准确地确定相位还原原点，而后准确地对该观测点的相位
进行解包裹，在完成了解包裹之后，便可以采用与步骤S3中所述相同的方法利用相位-高度标定以及相机标定得到该观测点的三维空间坐标。以此类推，逐渐获取全部区域中的各个观测点的空间坐标，至此便完成了一轮相比上一步骤中的结果而言精度更高的轮廓测量。最后，将k的取值增加1。
其中，在该步骤S4中采用的定义相位还原原点的方法，使得对于任何一个观测点均可准确地单独计算其相位还原原点，不会受到物体表面变化剧烈而引起的相邻观测点之间相位断裂(相位变化超出一个整周期)的影响，使得测量结果更加可靠。
S5、循环执行步骤S4，直至对被测物的轮廓测量达到预定的精度为止。
上述步骤S1～S5的具体实现，为本领域技术人员公知的技术手段，并非本发明的发明点所在，在此不再赘述。
综上所述，本发明以宽频条纹的测量结果为向导，调整相机位置以精准对焦，从而令测量区域的条纹投影更加清晰，前一步较宽频条纹的测量用以辅助下一步较窄频条纹的相位还原，由此能够准确地判断相位还原原点并实施解包裹，从而使测量精度得到了提高。在整个测量过程中，不断地调整相机使之对焦于更加细致的条纹，并且采用不同方向的投影，通过循环迭代的方法实现对被测物每个高度、每个待测面的全方位精密测量。另外，相对于传统的分区域拼接方式，本发明能够更快速地实现对被测物的全域检测，避免拼接误差。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种轮廓测量方法，其特征在于，该方法采用一测量装置，该测量装置包括一相机以及一投影单元，该方法包括：
S1、进行该相机的标定；
S2、利用该投影单元生成正弦条纹Mi，i＝1～n，n为大于1的正整数，该些条纹的频率F(Mi)满足F(M1)＝1/2F(M2)＝1/22F(M3)＝...＝1/2(n-1)F(Mn)，利用校正板对该些条纹Mi分别进行相位-高度标定；
S3、将M1投影在被测物上，移动该测量装置使该相机FOV覆盖的被测物表面上各点到该测量装置的距离均在M1的测量范围内，获取由该相机观测到的各观测点的相位并对其解包裹，根据相位-高度标定由经过解包裹的该各观测点相位求得该各观测点的高度坐标，再根据相机标定求得该各观测点的三维坐标；
S4、移动该测量装置使被测物的至少部分表面进入Mk的测量范围，此处取k＝2，然后将Mk-1投影在被测物上，获得该部分表面对应的各观测点的三维坐标并模拟出轮廓曲面，获取Mk的每个相位投影面与该轮廓曲面的各交点对应的各观测点的相位并对其解包裹，根据相位-高度标定由经过解包裹的该各观测点相位求得该各观测点的高度坐标，再根据相机标定获得该各观测点的三维坐标，而后将k的取值增加1；
S5、循环执行步骤S4，直至对被测物的轮廓测量达到预定的精度。
2.如权利要求1所述的轮廓测量方法，其特征在于，该相位-高度标定过程包括以下步骤：
S11、将Mi投影于校正板上，移动该测量装置分别至一第一位置、一第二位置及一第三位置，在该三个位置处分别获取同一观测点的相位
其中该三个位置均在Mi的测量范围内；
S12、在该第一位置的相位图中取一与条纹方向相交的直线，在该直线上取点P1’、P2’、P3’，并使该P1’、P2’、P3’点的相位分别等于
记录该P1’、P2’、P3’点的坐标。
3.如权利要求2所述的轮廓测量方法，其特征在于，根据相位-高度标定求得观测点的高度坐标的过程包括以下步骤：
S21、在该直线上取点Pc’，并使该Pc’点的相位等于该观测点的经过解包裹的相位；
S22、设该观测点的高度坐标为Hc，由公式[(H1-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(H1-Hc)]＝[(P1’-P3’)*(P2’-Pc’)]/[(P2’-P3’)*(P1’-Pc’)]求得Hc，其中H1、H2、H3为该测量装置分别处于该三个位置时在步骤S11中所述的该同一观测点的高度坐标。
4.如权利要求2所述的轮廓测量方法，其特征在于，步骤S4、S5的解包裹过程中包括一定义相位还原原点的方法，该定义相位还原原点的方法为：设观测点的相位为
通过计算
的值确定该观测点对应的相位还原原点。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的轮廓测量方法，其特征在于，利用反傅里叶法或多步相位移法获取由该相机观测得的各观测点的相位。
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