CN102589480B - 结构光三维视觉测量中正弦光栅的设计 - Google Patents

结构光三维视觉测量中正弦光栅的设计 Download PDF

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Abstract

本发明设计公开一种使用空间维次最优宽度调制方法设计正弦光栅。包括使用空间维高频三角波作为载波对调制波进行调制，要求三角波的频率是所要求的正弦光栅的N倍频率，经过空间维次最优宽度调制后可生成空间的二进制条纹，按照该二进制条纹刻制出光栅，分析该光栅的频谱得出结论，即该光栅对高于基频的各次谐波均有良好抑制的效果，则该光栅经镜头可以向被测物体表面投射高质量的正弦图样，解决了结构光三维轮廓测量中正弦光栅的设计问题，保证了结构光三维轮廓测量的精度。

Description

结构光三维视觉测量中正弦光栅的设计
技术领域
本发明涉及结构光三维视觉测量领域，特指正弦图样的投影光栅。
背景技术
在结构光三维视觉轮廓测量技术被广泛应用在CAD/CAM、逆向工程、快速原型及虚拟现实等领域中，其研究方法主要有莫尔轮廓术、位相测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术和空间位相检测等，上述的轮廓测量方法都需要向物体表面投射正弦图样，因而，正弦光栅的设计是保证三维轮廓测量精度的必要条件。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结构光三维视觉测量中正弦光栅的设计方法。
该发明的技术方案为：使用空间维次最优宽度调制正弦波方法来设计正弦光栅，即使用高频三角波作为载波，空间维次最优宽度调制是将调制波                                                
Figure 4593DEST_PATH_IMAGE001
，其中，M为载波幅值归一化时的调制深度，将
Figure 719739DEST_PATH_IMAGE002
区间分为长度相等的2N个区间(N为任意的正奇数)，其中，
Figure 200399DEST_PATH_IMAGE003
为调制波周期，以原点为起点对区间进行编号，编号为
Figure 243572DEST_PATH_IMAGE004
，各个区间与x轴的交点为：
Figure 100670DEST_PATH_IMAGE005
,则第
Figure 794956DEST_PATH_IMAGE006
号区间可以表示为：，设置三角波载波的频率为，相应的周期
Figure 489704DEST_PATH_IMAGE009
，幅值归一化，第j（可设j为偶数）个脉冲脉宽
Figure 38497DEST_PATH_IMAGE010
，第j+1个区间脉宽为
Figure 1905DEST_PATH_IMAGE011
，每个三角波周期内对应有一个低幅值脉冲宽度为
Figure 268939DEST_PATH_IMAGE012
，一个高幅值脉冲宽度为
Figure 77626DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 746504DEST_PATH_IMAGE014
,（i为[0,N-1]之间的正整数），在空间轴上的起点
Figure 369564DEST_PATH_IMAGE016
、终点
Figure 247521DEST_PATH_IMAGE017
可以表示为
Figure 770906DEST_PATH_IMAGE018
Figure 935171DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 52163DEST_PATH_IMAGE020
。
经空间维次最优宽度调制后可形成的不等间距二进制条纹，使用该二进制条纹刻制光栅。
该发明的效果在于：由于使用空间次最优宽度调制方法设计并刻制正弦光栅，使得该光栅经镜头向被测物体表面可以投射明暗对比度较高的正弦图样，可将该光栅应用到结构光三维视觉测量工程技术中，提高结构光三维视觉测量的精度。
附图说明
      图1空间维次最优宽度调制后的二进制波形与正弦波
      图2正弦光栅
      图3正弦光栅频谱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，空间正弦波
Figure 592866DEST_PATH_IMAGE021
，它的周期（也等于调制波
Figure 446869DEST_PATH_IMAGE023
的周期），
Figure 785578DEST_PATH_IMAGE024
，三角波的频率
Figure 129972DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 503315DEST_PATH_IMAGE026
，调制深度M=1,，可以达到调制后每个方波在x轴上的起点和终点如下：
Figure 100967DEST_PATH_IMAGE028
   （1）
Figure 983472DEST_PATH_IMAGE029
   （2）
由于图1中波形为周期信号，可将光栅图样整体向左平移
Figure 211322DEST_PATH_IMAGE030
得到方波的起点和终点向量
Figure 888291DEST_PATH_IMAGE031
如下：
        （3）
Figure 887789DEST_PATH_IMAGE033
           （4）
利用
Figure 970145DEST_PATH_IMAGE031
可以计算出正负幅值方波宽如下：
Figure 83595DEST_PATH_IMAGE034
             （5）
Figure 8825DEST_PATH_IMAGE035
             （6）
其中，
Figure 108500DEST_PATH_IMAGE036
，式（5），（6）中
Figure 435576DEST_PATH_IMAGE037
依次相间隔分布，可知该光栅图样关于
Figure 595293DEST_PATH_IMAGE038
对称，可用以上方波宽度刻制光栅。 
如图2是在长度
Figure 742240DEST_PATH_IMAGE039
上生成间距为
Figure 645605DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 827188DEST_PATH_IMAGE041
二进制条纹并刻制出的光栅。
如图3为该光栅的频谱分析，由傅里叶变换公式：
Figure 157806DEST_PATH_IMAGE042
                               （7）
由于所得光栅图样
Figure 57629DEST_PATH_IMAGE043
的周期，由于
Figure 410561DEST_PATH_IMAGE043
是关于x轴是奇函数，所以，
Figure 36715DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 33621DEST_PATH_IMAGE046
， 可求：
Figure 434963DEST_PATH_IMAGE048
Figure 107384DEST_PATH_IMAGE049
                    （8）
其中，
Figure 716220DEST_PATH_IMAGE050
，由上式可以求得：
，
Figure 510181DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 353503DEST_PATH_IMAGE053
则，
Figure 325001DEST_PATH_IMAGE054
的值依次为：
Figure 36605DEST_PATH_IMAGE055
从图3可以看到低频段除了3次谐波，其它谐波量几乎没有；只是在高频段第15次谐波附近有较明显的波形，该光栅经过投影机投影到被测物体表面可以被滤去，可以投射出的图样接近正弦图样。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实现方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种结构光三维视觉测量中正弦光栅的设计方法，该方法具体特征为：使用空间维次最优宽度调制正弦波方法来设计正弦光栅，即使用高频三角波作为载波，空间维次最优宽度调制是将调制波                                                的
Figure 843703DEST_PATH_IMAGE002
区间分为长度相等的
Figure 957153DEST_PATH_IMAGE003
个区间，以原点为起点对区间进行编号，编号为
Figure 318602DEST_PATH_IMAGE004
，各个区间与
Figure 542910DEST_PATH_IMAGE005
轴的交点为：
Figure 542090DEST_PATH_IMAGE006
，则第号区间可以表示为：
Figure 176650DEST_PATH_IMAGE008
，设置三角波载波的频率为
Figure 142332DEST_PATH_IMAGE009
，相应的周期
Figure 323915DEST_PATH_IMAGE010
，幅值归一化，第个脉冲脉宽
Figure 949806DEST_PATH_IMAGE012
，第
Figure DEST_PATH_IMAGE013
个区间脉宽为，每个三角波周期内对应有一个低幅值脉冲宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，一个高幅值脉冲宽度为
Figure 291106DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，在空间轴上的起点、终点
Figure DEST_PATH_IMAGE019
可以表示为：
Figure 327250DEST_PATH_IMAGE020
，经空间维次最优宽度调制后可形成的不等间距二进制条纹，使用该二进制条纹刻制光栅；
其中：M为载波幅值归一化时的调制深度，为调制波周期，N为任意的正奇数，
Figure 652052DEST_PATH_IMAGE022
为偶数，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为
Figure 959536DEST_PATH_IMAGE024
之间的正整数。
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