CN102914276A - 三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法 - Google Patents

三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，包括以下步骤：光栅编码：通过计算机生成光栅编码条纹图像；投射光栅：由数字投影设备投射光栅编码条纹图像；投影仪散焦：最后将投影设备轻微离焦。本发明不需要对于投影仪进行繁杂的非线性标定，也不需要额外光栅条纹或后期的补偿算法，无需额外增加硬件设施，获得标准的正弦光强分布的光栅条纹图像，简单易行，具有很好的应用前景。

Description

三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，特别是一种三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法。 
背景技术
自国际光学学会首次把光学三维传感列为信息光学前沿七个主要领域和方向之一以来，随着计算机技术、光学和光电技术的发展，新的光学三维传感和计量方法不断涌现。主动三维测量技术中最具代表性的结构光三维测量方法采用不同的投射装置向被测物体投射不同种类的结构光，并拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维形貌数据。其在机器视觉、逆向工程、工业自动化加工检测和实物仿型、文物遗产保护等领域展现了强大的生命力和巨大的应用潜力。 
近年来，随着数字投影技术的发展，众多研究机构开始使用数字光学投影设备(LCD、DLP投影仪)来替代物理光栅，数字投影设备可以利用计算机编程方便地产生高精度相移光栅图像，以降低设备的开发和使用成本。通过数字投影设备向待测物体投影光栅条纹，并由图像采集设备在另一个角度采集到经过物体表面形变扭曲的光栅图像。从这些光栅图像中恢复出相位信息，最终将获取的相位信息通过三角关系转换为被测物体的三维坐标信息。但是，由于数字投影设备伴随而来响应的非线性，也为结构光测量技术引入了一个新的科学问题—光栅的非正弦性问题。由投影仪的响应的非线性引起的非正弦波形误差，成为了影响基于光栅投影三维测量精度的主要因素。如果投影出的光栅条纹的正弦性较差，那么通过这些光栅图像中恢复出相位信息就不可避免的含有高次谐波引入的误差，从而大大影响最终三维测量的精度。 
现有的减小伽马非线性引起的测量误差的方法包括：双三步相移算法,预先标定投影系统非线性，直接修正投影仪的非线性变形等。上述几种方法可以一定程度的提高测量精度，但普遍存在如下几大问题:（1）需要繁杂的标定手续；（2）需要额外采集光栅条纹图像；（3）需要额外的后期处理算法补偿；（4）难以完全消除相位误差。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，通过计算机生成三灰阶空间脉冲宽度调制的光栅编码条纹图像，然后由数字投影设备投射光栅编码条纹图像，最后将投影设备轻微离焦，由此简单有效的获得理想正弦光强分布的光栅条纹图像。 
实现本发明目的的技术解决方案为：一种三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，步骤如下： 
第一步，光栅编码：通过计算机生成光栅编码条纹图像，即首先由计算机生成理想单周期正弦波，其频率记作为f0，根据理想单周期正弦波的周期宽度选择三角波载波频率fc；然后再由计算机生成一个具有π相位差的频率为fc的三角波，并将两三角波分别与理想单周期正弦波进行幅值比较，生成两个二值化脉冲宽度调制波；再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，得到单周期的编码图像，最终的光栅条纹图像将单周期的编码图像进行周期严拓生成； 
第二步，投射光栅：将计算机生成的光栅条纹图像传输给数字投影设备投射光栅编码条纹图像； 
第三步，投影仪散焦：最后将投影设备离焦，由此获得理想正弦光强分布的光栅条纹图像。 
本发明与现有技术相比，其显著优点：不需要对于投影仪进行繁杂的非线性标定，也不需要额外光栅条纹或后期的补偿算法，无需额外增加硬件设施，获得标准（即理想）的正弦光强分布的光栅条纹图像，简单易行，具有很好的应用前景。 
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 
附图说明
图1为本发明提出的基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法示意图。图1(a)为计算机生成两个相位相差π的频率为fc的三角波与单周期的频率为f0正弦波；图1(b),(c)分别为两个三角波与正弦波幅值比较得到的两个二值化脉冲宽度调制波。图1(d)为(b)与(c)波形作差得到的一个周期的编码图像。 
图2为计算机生成的光栅条纹图像传输给数字投影设备投射光栅编码条纹图像的示意图。 
图3为数字投影仪的对焦环与变焦环所在位置的示意图。 
图4(a)原始三灰阶光栅，其中条纹宽度为80像素/周期，三角波载波频率fc=8f0；.(b)通过投影仪投影后图像采集设备采集到的光栅条纹；(c)图(b)的频谱。 
具体实施方式
本发明三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，步骤如下： 
第一步，光栅编码：通过计算机生成光栅编码条纹图像，即首先由计算机生成理想单周期正弦波，其频率记作为f0，根据理想单周期正弦波的周期宽度选择三角波载波频率fc；然后再由计算机生成一个具有π相位差的频率为fc的三角波，并将两三角波分别与理想单周期正弦波进行幅值比较，生成两个二值化脉冲宽度调制波；再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，得到单周期的编码图像，最终的光栅条纹图像将单周期的编码图像进行周期严拓生成。 
其中生成两个二值化脉冲宽度调制波的方法为：对于第一个三角波，将其幅值与理想单周期正弦波进行比较，当三角波的幅值大于或者等于理想单周期正弦波时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0；对于第二个三角波，将其幅值与理想单周期正弦波进行比较，当三角波的幅值小于理想单周期正弦波的幅值时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0。再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，得到单周期的编码图像的方法为：将两个二值化脉冲宽度调制波的差值图像赋予三个灰阶，即-1对应灰阶0,0对应灰阶127.5,1对应灰阶255。 
首先按需要生成的正弦条纹（其频率记作为f0）的周期宽度选择合适的三角波载波频率fc: 
f c = NINT ( Width 10 ) × f 0
其中Width为正弦条纹的周期宽度，单位为像素；NINT为取最接近的整数。然后由计算机生成两个相位相差π的频率为fc的三角波与单周期的理想正弦波(见图1(a))。然后将两三角波分别与理想正弦波进行幅值比较，对于第一个三角波，将其幅值与理想正弦波进行比较，当三角波的幅值大于或者等于理想正弦波时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0（见图1(b)）；对于第二个 三角波，将其幅值与理想正弦波进行比较，当三角波的幅值小于时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0（见图1(c)）。再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，将差值图像赋予三个灰阶，即-1对应灰阶0,0对应灰阶127.5,1对应灰阶255（见图1(d)）。 
第二步，投射光栅：将计算机生成的光栅条纹图像通过VGA输出端子，由RGB线缆传输的数字投影设备，由数字投影设备投射光栅编码条纹图像（见图2）。 
第三步，投影仪散焦：将投影设备离焦，由此获得理想正弦光强分布的光栅条纹图像。将投影设备离焦的方法为：先调整投影仪的变焦环使光栅图案在被测物上形成清晰的图样，再调整投影仪的对焦环使投影的条纹图案轻微散焦（在调整中，使条纹图案比清晰的图样稍微模糊即可），即可生成具有理想正弦光强分布的光栅条纹图案。其中投影仪的变焦环与对焦环的位置示意图见图3。上述内容所说的理想是指标准。 
本发明取得的技术效果见图4(a)为采用本发明提出方法生成的原始三灰阶光栅，其中条纹宽度为80像素/周期，三角波载波频率fc=8f0。通过投影仪投影到均匀白色平板，图像采集设备采集到的光栅条纹见图4(b)；其频谱见图4(c)。从图中可见采集到的光栅条纹的正弦性良好，频谱中的高次谐波成分已经几乎可以忽略，条纹对比度良好。这验证了本发明提出的方法的有效性。 

Claims (5)

1.一种三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，其特征在于步骤如下：
第一步，光栅编码：通过计算机生成光栅编码条纹图像，即首先由计算机生成理想单周期正弦波，其频率记作为f0，根据理想单周期正弦波的周期宽度选择三角波载波频率fc；然后再由计算机生成一个具有π相位差的频率为fc的三角波，并将两三角波分别与理想单周期正弦波进行幅值比较，生成两个二值化脉冲宽度调制波；再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，得到单周期的编码图像，最终的光栅条纹图像将单周期的编码图像进行周期严拓生成；
第二步，投射光栅：将计算机生成的光栅条纹图像传输给数字投影设备投射光栅编码条纹图像；
第三步，投影仪散焦：最后将投影设备离焦，由此获得理想正弦光强分布的光栅条纹图像。
2.根据权利要求1所述的三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，其特征在于第一步中的三角波载波频率fc的选择方法为
Figure FDA00001973981800011
其中Width为正弦条纹的周期宽度，单位为像素；NINT为取最接近的整数。
3.根据权利要求1所述的三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，其特征在于第一步中的生成两个二值化脉冲宽度调制波的方法为：对于第一个三角波，将其幅值与理想单周期正弦波进行比较，当三角波的幅值大于或者等于理想单周期正弦波时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0；对于第二个三角波，将其幅值与理想单周期正弦波进行比较，当三角波的幅值小于理想单周期正弦波的幅值时，其对应的脉冲宽度调制波在该位置幅度为1，否则为0。
4.根据权利要求1所述的三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，其特征在于第一步中，再将两个二值化脉冲宽度调制波作差，得到单周期的编码图像的方法为：将两个二值化脉冲宽度调制波的差值图像赋予三个灰阶，即-1对应灰阶0,0对应灰阶127.5,1对应灰阶255。
5.根据权利要求1所述的三维光学测量中基于三灰阶空间脉冲宽度调制的正弦光栅构造方法，其特征在于第三步中的将投影设备离焦的方法为：先调整投影仪的变焦环使光栅图案在被测物上形成清晰的图样，再调整投影仪的对焦环使投影的条纹图案轻微散焦，即可生成具有理想正弦光强分布的光栅条纹图案。
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