CN103292740A - 一种三维扫描仪测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描仪测量方法及其装置，所述测量方法是利用干涉条纹所形成的虚拟正弦光栅或者空间调制的图案，经投影到参考平面和物体表面上，再用相位法进行相位解调，从而获得物体表面的三维信息，其具体方法步骤为：（1）正弦虚拟或者空间调制光场的产生；（2）利用小角度光栅差频法测量；（3）采用分色投影系统实现如步骤（2）所述的小角度光栅差频测量的光路；（4）利用小角度差频相位去包裹。所述测量装置包括置于参考平面R同一侧的投影系统、摄像系统及计算机，投影系统位于摄像系统的上方，所述计算机分别与摄像系统及打印机相连。本发明克服了现有三维测量术所存在的不足，取得了很好的效果,可广泛应用于整个制造业。

Description

一种三维扫描仪测量方法及其装置

技术领域

本发明属于三维扫描测量技术领域，涉及一种三维扫描仪测量方法及其装置。 

背景技术

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。然而传统的三维扫描设备多为接触式扫描器或激光扫描仪，采用接触式测量速度慢、机械结构复杂、容易损坏物体表面特性，越来越不能满足现代测量的需要，使其应用受到限制。 

为解决接触式测量所存在的不足，光学方法三维面形的测量研究日益受到人们的重视。在发展史中所提到的相关研究成果中，虽然克服了接触式测量中机械探头的某些缺陷，但却未能完全摆脱其机械结构复杂，测量范围受到机械装置大小限制，以及逐点测量使得速度慢等不足。同时光电方法测量三维面形受到物体表面特性（如高度突变、阴影和反射率不足）的不均匀等影响，导致光信号处理困难。因此到目前为止，光电方法测试面形轮廓的产品还很不成熟，上市的产品也没有达到人们的要求。 

为解决光电方法测量三维面形所存在的不足，三维测量从原来的三坐标测量机，发展到用单条纹移动投影法；八十年代初期Takeda等人采用了光栅照射法，利用变形光栅产生的莫尔条纹对待测面形进行调制从而获得物体面形信息；1986年Yoshizawa等人提出了变形光栅投影法；从该法引出了后来的傅里叶变换测形术（FTP），相移莫尔形貌术（PMT），余弦空间相位检测术（SPD），多步光栅相移术（MPGP）。但是这些方法测量的面积，精度有限，并且需多幅采样图，不利于动态测量。随着计算机和CCD等器件的发展，1994年到1995年出现的一 步光栅相移术（OPGP）为解决上述问题开创了新局面。由此引起了基于结构光，利用光学，计算机图像采样和处理技术进行相位测试及图模重建的研究。形成了一系列的三维测量方法，目前采用的三维测量术主要有以下几种： 

（1）飞行时间法：飞行时间法可分为脉冲调制和相位调制。脉冲调制法是测量系统发射光脉冲到被测物体表面，经其反射后被传感器接收，测出光脉冲飞行时间，根据光速即可计算出其飞行距离。测量精度主要依赖于接收通道带宽、起止激光脉冲的鉴别和时间间隔测量，而时间间隔的精确测量是影响精度的主要因素。由于相位测量只有在2π内才是单值，为保证测量的精度和测量范围，相位法测距采用多个调制频率。影响测量精度的因素包括调制频率、接收功率变化、频漂及信噪比。采用飞行时间法虽然共轴的光源和发射波光束保证不存在阴影和盲区，不需要图像处理，适用于大范围测量。但是测量精度难以得到保证。 

（2）三角测量术：三角测量顾名思义就是利用光线与物体的三角关系的一种测量方法，它是一种传统的测量方法，已广泛应用于大地测量等许多领域。三角测量术的特点是方法简单，对设备和环境的要求比较低。它既可进行逐点或逐线测量，也可进行全场测量，这取决于投影到待测物体上的光图案是光电、光线还是光栅，但是光强中心难以确定，由此造成较大测量误差。 

（3）莫尔轮廓术：这种方法是上世纪70年代发展起来的一种基于光栅阴影法测量技术，其原理是以一块标准光栅放于物体前面，光源照射到光栅上，在物体上形成随着物体轮廓调制的变形光栅，标准光栅和变形光栅形成莫尔条纹。在一定条件下，这种条纹既是被测物体表面轮廓线的等高线。但这种方法遇到条纹级别难以判断和对被测物体凸凹难以判定等困难，使其计量不确定性和自动化处理较难实现，不适合表面复杂的物体测量。 

（4）相位轮廓术：相位轮廓术是基于直接分析变形光栅，通过对条纹进行正弦或余弦拟合求取相位，由于该相位包含了物体表面轮廓信息，由此求出物体三维坐标值，其优点是不需要判断被测物体的凸凹和条纹级次，测量精度高。但相位的解调较复杂，且受物体表面 特性影响较大。 

综上所述，目前所采用的三维测量术都存在一定的不足，在相干投影三维面形测试中，获得光强分布为正弦形式时，三维测量的许多问题都可以得到很好的解决，并且测量的物体高度变化范围也有较大的提高。但为了获得正弦光场，主要采用的方法是：（1）制作正弦光栅用于投影。其主要的缺点是刻制一个正弦光栅十分复杂，同时实际光场的光强分布还与光源以及投影系统的像差，装置误差紧密相关。另外，一旦制作好一块光栅，频率将是常数，这样其应用的灵活性将受到很大的限制；（2）利用莫尔条纹的准正弦特性来产生一个近似准正弦条纹分布。但此方法所产生的条纹与正弦光强分布还有相当的差异，高频分量的成分还是较强。因此误差较大。同时，在三维面形测量中，相位法所测得的相位值是一原理相位值，这与物体变形光场的真是相位值相差π的整数倍，获得真实相位值称为去包裹问题，目前还没有一个很好的解决方法。 

发明内容

本发明针对现有三维测量术中所存在的不足，提供了一种三维扫描仪测量方法及其装置。 

本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的。 

一种三维扫描仪测量方法，利用干涉条纹所形成的虚拟正弦光栅或者空间调制的图案，经投影到参考平面和物体表面上，再用相位法进行相位解调，从而获得物体表面的三维信息，其具体方法步骤如下： 

（1）正弦虚拟光场的产生：用一个迈克尔逊干涉仪为虚拟正弦光栅投影照明物体，通过调节反射镜获得需要的空间载波频率，或者一照明投影系统通过空间调制的图案的物体,让虚拟正弦光栅或者空间调制的图案经投影系统投影到参考平面上，再经过CCD摄像机摄入，最终将所摄得的数据传入计算机处理，计算出光强分布； 

（2）利用小角度光栅差频法测量，并解调出投影光栅投影于物体表面后的形变相位； 

（3）采用分色投影系统实现如步骤（2）所述的小角度光栅差频测量的光路，使投影系统有三色不同的信息同时投射到物体表面上， 同时在彩色数字照相机中获得三组互不干扰的信息； 

所述步骤（3）中分色投影系统为在照相机的前面加三通道滤光片。 

（4）利用小角度差频相位去包裹：用小角度差频法测量三维物体面形，并求出物面上点的高度h，当h小于某一值h_c时，既能能精确解调，不存在去包裹问题。 

作为本发明的另一目的，提供了一种实现上述三维扫描仪测量方法的装置，包括置于参考平面R同一侧的投影系统、摄像系统及计算机，所述投影系统位于摄像系统的上方，所述计算机分别与摄像系统及打印机相连。 

所述摄像系统采用CCD摄像机。 

所述投影系统包括照明系统和投影物镜。 

所述照明系统由反射镜及安装在反射镜与光栅之间的聚光镜组成。 

所述反射镜采用带有内镀增反膜的球面反射镜。 

本发明的技术效果是： 

本发明利用迈克尔逊干涉仪产生法产生虚拟正弦光，克服了专门制作正弦光栅中功能单一，不能满足多种场合使用的不足，同时避免了一块正弦光栅的耗费巨大的缺陷。通过采用小角度差频法测量物体三维面形，解决了相位法测量三维面形中去包裹难的问题。采用分离多通道彩色图像信息的理论依据，为小角度差频法的实现奠定可行性方案的基础。同时提出了小角度差频法中去包裹的理论基础。 

本发明通过利用干涉条纹所形成的虚拟正弦光栅，经投影到参考平面和物体表面上，再用相位法进行相位解调，从而获得物体表面的三维信息。克服了制作正弦光栅用于投影和利用莫尔条纹的准正弦特性来产生一个近似准正弦条纹分布所存在的不足，取得了很好的效果。 

附图说明

图1为本发明正弦光栅三维面形测量系统原理框图； 

图2为本发明小角度差频法光路布置图； 

图3为本发明小角度差频法的物相关系； 

图4为本发明中测量装置结构示意图； 

图5为本发明所述的摄像系统原理框图； 

图6为本发明所述的投影系统组成原理框图。 

图中：1-激光器，2-扩束器，3-物体，4-投影系统，5-摄像系统，6-计算机，7-打印机。 

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明的技术方案及其原理进一步详细描述： 

1、正弦虚拟光场产生原理 

用一个迈克尔逊干涉仪产生法为虚拟正弦光栅投影照明物体。如图1所示，通过调节反射镜M可以获得需要的空间载波频率。图中R为参考平面，虚拟正弦光栅经投影系统投影到参考平面R上，再经过CCD摄像机摄入，最终将所摄得的数据传入计算机处理，其光强分布可表示为： 

上式表示由于投影光轴与参考平面R垂直而产生的光栅位置偏移。 

2、小角度光栅差频法测量原理 

小角度差频法光路布置如图2所示，图中量投影均为交差光轴系统，S₁为摄像光心，其光轴垂直于参考面R，与参考平面R间距为L，S₂和S₃分别为对应投影系统的光心，它们的光轴与摄像系统光轴均交于参考平面R上的O点，夹角分别为θ₁和θ₂，S₂与参考面R的距离为L₂，S₃与参考平面R的距离为L₃。A为参考平面R上任一点，在成像面上对应着a点，待测物体3上的D点也对应着像面上的a点。 

由图2可知，两投影光栅是同一正弦光栅经分光后投影出来的。两束光具有相同的空间载频。因正弦光栅制造商的误差和摄像系统的畸变，因此，S₂的光强分布为： 

$I_1(x,y)=\stackrel{+\∞}{\mathrm{\Σ}}{a}_{1n}(x,y)\exp \left\{\sin {\mathrm{\ω}}_1\right[x+S_{10}\left(x\right)+S_1(x,y)\left]\right\}$

S₃的投影光强分布为 

$I_2(x,y)=\stackrel{+\∞}{\mathrm{\Σ}}{a}_{2n}(x,y)\exp \left\{\sin {\mathrm{\ω}}_2\right[x+S_{20}\left(x\right)+S_2(x,y)\left]\right\}$

利用相位解调原理，解调出S₂和S₃投影光栅于物体表面后的形变相位

和

图3表明了小角度差频法的物相关系，图中OM为S₂的等相位面。当S₂投影时，投影线S₂P在有物体时在S₂的投影垂直面上的位相距离相当于OA，而在无物体时相当于OD，因此，两者的位相距离差为AD。当S₃投影时，投影线S₃P在有物体时在S₃的投影垂直面上的位相距离点相位于OB，而在无物体时相当于OE，因此，两者的位相距离差为BE。从图3中可知： 

AD=h D₁/(L-h)sinθ₁

BE=h D₂/(L-h)sinθ₂

=2π/P₀[h/(L-h)](D₂sinθ₂-D₁sinθ₁) 

因D₁和D₂，sinθ₁和sinθ₂很接近，故(D₂sinθ₂-D₁sinθ₁)很小，当h小于某一值h_c时，可使

在0-2π之间，因此，只要是h<h_c的面形，上述方法都能精确解调不存在去包裹问题。 

如果

则

否则，

这样在物面点的高度h可由下式求出。 

3、分色投影系统的基本原理 

要实现小角度差频测量的光路，必须使两完全相同的光栅以不同的角度投影到物体表面，而且要求当要改变该系统投影范围时上述条件不变。同时这一方法需要测量两幅变形光栅图。这些条件近乎苛刻。但在该发明中提出的分色投影系统使上述问题得到很好的解决。而且变形光栅图只需拍摄一次。 

当一幅图图像被彩色数字照相机采集时，相机的成像面上的三组CCD感知红绿兰三原色。任意像素都由三个CCD像元组成。因此彩色数字照相机其实提供了探测三通道信息的能力。利用该原理，通过在照相机的前面加一三通道滤光片，这样，如果投影系统有三色不同的信息同时投射到物体表面上，就能同时在彩色数字照相机中获得三组互 不干扰的信息。这一思想的提出为今后多通道的图像测量技术开辟了一种新方法。 

4、小角度差频相位法去包裹 

由前述可知，用小角度差频法测量三维物体面形，这样物面上点的高度h可由下式求出。 

当h小于某一值hc时，可使在0-2π之间，因此，只要是h<h_c的面形，上述方法都能精确解调不存在去包裹问题。 

其中

为原理相位值，为实际光栅相位值。这样，就能得到整数相位值。 

下面结合附图对实现上述三维扫描仪测量方法的装置进一步详细说明。 

如图4所示，一种实现三维扫描仪测量方法的装置，包括置于参考平面R同一侧的投影系统4、摄像系统5及计算机6，所述投影系统4位于摄像系统5的上方，所述计算机6分别与摄像系统5及打印机7相连。该测量装置在使用时，投影系统4将光栅投影到参考平面R上，再经过摄像系统5摄入并由串行口把数字化的图像输入计算机6，同时通过打印机7实现其打印功能。 

所述摄像系统1采用CCD摄像机。CCD(Charge couple device)电荷耦合器件是一种新型的半导体器件，自上世纪70年代发展至今，得到了广泛的应用，比如定位测量、天体观测、能量分布和图像采集等。本发明采用CCD摄像机主要应用于测量能量分布。其摄像系统原理如图5所示。被测光场能量分布经光学系统成像于CCD面阵探测器；探测器光电效应产生的信号经摄像机处理电路完成二维扫描读出、放大和制式转换等处理，形成标准的全电视信号；此信号又经图像板进行数字化并与计算机通讯进行各种处理。 

一个理想的系统应该是无畸变和噪声的线性空间不变系统，在此情况下入射光强I与通讯板中对应像素点的数据D有以下简单的线性 关系： 

D=K×I 

其中比例因子K值与输入能量分布形式和位置无关。但实际系统各环节存在着畸变和噪声，也不完全符合线性和空间不变性的要求，其主要表现在CDD光电响应的不均匀性、光电响应非线性、摄像机内部的制式转换电路、自动增益控制电路和校正电路等方面，这些因素对能量分布测量影响较大。 

基于以上问题，在选择器件的时候一定得综合考虑CCD的各种性能，以满足测量要求。 

本发明所述投影系统的设计。所谓投影系统，就是将被透射照明的物体以一定的放大率投影成像在屏幕上的光学系统，由照明系统和投影物镜两部分组成。 

下面分别对照明系统及投影物镜做进一步说明。 

（1）照明系统 

为了使屏幕上获得足够大的光照度，根据不同要求设计相应的照明系统。其作用是把光源的光通量尽量多的聚集到物镜中去，并使被投影物体照明均匀。如图6所示，在本发明中选用了带有内镀增反膜(该膜为在可见区高反射，在红外区高透射的冷光膜)的球面反射镜作为照明系统。把灯安装在球面球心O，以此点为点光源照明。再安装聚光镜照射光栅，成像于投影物镜的入瞳。其优点是能充分利用光能，控制照明视场的大小，避免杂散光入射物镜以及使投影物镜获得均匀照度。 

（2）投影物镜 

投影物镜是投影系统的核心部分。它的作用是将投影物体成像在屏幕上，并保证成像的清洗和物像的相似。描述投影物镜光学特征的参数有四个，即放大率、视场、孔径和工作距。投影物镜的放大率是关系到测量精度、孔径大小、观测范围和结构尺寸的主要参数。放大率越大，物镜所需的孔径越大。 

投影物镜的视场一般用线量表示，即以视场光阑的有效直径除以放大率的值表示。由于投影屏幕就是投影物镜的视场光阑，故投影物镜的视场应以测量物体的大小为标准进行设计。 

本发明在使用中，还设计了具有通用性的夹具，夹具是用来实现被测物体的定位的夹紧。在本发明中，针对测量物体的大小和形状的不确定性，需要设计一种比较通用的夹具。另外，在测量装置的调整过程中，需要根据被测物体的面形特征使其作前后左右移动和旋转。 

采用本发明所述的测量装置进行实验的步骤如下： 

1、系统的安装于定标 

（1）投影系统光轴的确定； 

（2）投影光轴和摄影光轴之间的夹角确定； 

（3）投影系统焦点与参考平面的距离确定； 

（4）投影系统放大率的确定。 

2、摄参考光栅和变形光栅像。 

3、系统软件处理 

本发明主要应用于三维物体的几何尺寸测量,三维物体的静态和动态感知,体感探测,人工智能,虚拟现实,和作为3D打印机的关键设备。可广泛应用于整个制造业，解决目前3D扫描中易受物体表面特性（如高度突变、阴影和反色率不均匀等）影响，导致光信号处理困难等问题。 

Claims (7)

1.一种三维扫描仪测量方法，其特征在于：利用干涉条纹所形成的虚拟正弦光栅或者空间调制的图案，经投影到参考平面和物体表面上，再用相位法进行相位解调，从而获得物体表面的三维信息，其具体方法步骤如下：

（1）正弦虚拟光场或者空间调制图案的产生：用一个迈克尔逊干涉仪为虚拟正弦光栅投影照明物体，通过调节反射镜获得需要的空间载波频率，或者一照明投影系统通过空间调制的图案的物体,让虚拟正弦光栅或者空间调制的图案经投影系统投影到参考平面上，再经过CCD摄像机摄入，最终将所摄得的数据传入计算机处理，计算出光强分布；

（2）利用小角度光栅差频法测量，并解调出投影光栅投影于物体表面后的形变相位；

（3）采用分色投影系统实现如步骤（2）所述的小角度光栅差频测量的光路，使投影系统有三色不同的信息同时投射到物体表面上，同时在彩色数字照相机中获得三组互不干扰的信息；

（4）利用小角度差频相位去包裹：用小角度差频法测量三维物体面形，并求出物面上点的高度h，当h小于某一值h_c时，既能能精确解调，不存在去包裹问题。

2.根据权利要求1所述的一种三维扫描仪测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中分色投影系统为在照相机的前面加三通道滤光片。

3.一种实现如权利要求1所述三维扫描仪测量方法的装置，其特征在于：包括置于参考平面R同一侧的投影系统（4）、摄像系统（5）及计算机（6），所述投影系统（4）位于摄像系统（5）的上方，所述计算机（6）分别与摄像系统（5）及打印机（7）相连。

4.根据权利要求3所述的一种三维扫描仪测量装置，其特征在于：所述摄像系统（5）采用CCD摄像机。

5.根据权利要求3所述的一种三维扫描仪测量装置，其特征在于：所述投影系统（4）包括照明系统和投影物镜。

6.根据权利要求5所述的一种三维扫描仪测量装置，其特征在于：所述照明系统由反射镜及安装在反射镜与光栅之间的聚光镜组成。

7.根据权利要求6所述的一种三维扫描仪测量装置，其特征在于：所述反射镜采用带有内镀增反膜的球面反射镜。

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