CN104019768B - 用于条纹投射三维形貌测量的ccd同步图像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法，涉及条纹投射三维形貌测量领域，所述方法包括：对测量臂压电陶瓷注入正弦驱动电压信号，获取被测物体表面的时变条纹信号，并按贝塞尔函数展开；利用时序控制器生成的图像的读出时序信号，上升沿触发上位机从面阵CCD相机中读取图像，在正弦相位调制周期内对时变条纹信号进行积分，在连续两个调制周期内，依次得到四幅条纹图像对应的强度E₁、E₃、E₂和E₄；通过四幅条纹图像的强度获取条纹图像的相位分布函数。本方法解决了正弦相位调制同步积分算法的图像采集难题，为使用正弦相位调制同步积分算法的提取条纹图像相位扫除了障碍。该同步图像采集方法简单、快速、可靠。

Description

用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法

技术领域

本发明涉及条纹投射三维形貌测量领域，尤其涉及一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法。

背景技术

随着社会的高速发展与科技的不断进步，快速、精确地获取物体的三维轮廓信息俞显重要。与传统的二维图像信息相比，物体的三维信息能够更全面、真实地反映客观物体，为人们提供更多的信息量。三维形貌测量技术是一种先进的精密测量技术是当前研究的热点与重点。光学三维形貌测量技术结合多个现代科学学科，从图像中通过特定算法提取形貌信息，并通过处理来恢复三维形貌。

基于条纹投射方式的三维形貌测量技术具有高精度、非接触、速度快、测量范围广、适合动态测量等突出优点，在质量检测、反向工程、身份认证、病理诊断、文物测量、文化影视等领域有广泛的应用。在相位提取方法方面，相移干涉法测量范围大、测量精度高，但是在测量时需要采集三幅以上的条纹图，使得测量速度不高，不适用于动态物体测量；傅里叶变换轮廓术算法仅需一或两幅受待测物体表面形貌调制的条纹图像，即可完成待测物体表面三维形貌的重建，适于动态测量，但该方法对图像质量及条纹频率有很高的要求。

发明内容

本发明提供了一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法，本发明采用正弦相位调制同步积分算法提取条纹图像的相位，进而重建待测物体表面三维形貌，详见下文描述：

一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法，所述方法包括以下步骤：

(1)对测量臂压电陶瓷注入正弦驱动电压信号M(t)，获取被测物体表面的时变条纹信号s(x,y,t)，并按贝塞尔函数展开；

(2)利用时序控制器生成的图像的读出时序信号，上升沿触发上位机从面阵CCD相机中读取图像，在正弦相位调制周期内对时变条纹信号进行积分，在连续两个调制周期内，依次得到四幅条纹图像对应的强度E₁、E₃、E₂和E₄；

(3)通过四幅条纹图像的强度获取条纹图像的相位分布函数φ(x,y)。

四幅条纹图像的强度具体为：

所述相位分布函数φ(x,y)具体为：

其中，中间变量Ψ_c、Ψ_s为：

其中，中间变量Ω_c、Ω_s为

B为投射的明暗条纹对比度，θ为调制信号的初相位，J_n(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明基于条纹投射相位轮廓测量术原理，利用正弦相位调制同步积分算法在提取条纹图像相位，通过分离图像曝光与图像读取过程，在连续两个正弦相位调制周期内采集到四幅条纹图像，这四幅条纹图像等价于单调制周期内的四幅连续的条纹图像。解决了正弦相位调制同步积分算法的图像采集难题，为使用正弦相位调制同步积分算法的提取条纹图像相位扫除了障碍。该同步图像采集方法简单、快速、可靠。

附图说明

图1为本发明光纤干涉条纹投射三维形貌测量系统的原理图；

图2为本发明时序控制系统原理图；

图3为正弦相位调制同步积分算法时序图。

图1中，1为激光器，2为耦合透镜，3为2×2型3dB光纤耦合器，4为参考臂压电陶瓷1，5为测量臂压电陶瓷2，6为光纤夹，7为待测物体，8为面阵CCD相机，9为光电探测器，10为相位稳定系统，11为压电陶瓷驱动器，12为正弦相位调制信号，13同步图像采集时序控制器，14为上位机。

图2中，15为移相器，16为过零比较器，17为倍频器，18为触发CCD采集图像的曝光时序，19为触发上位机读取CCD采集图像的读出时序。

图3中，20为待测物体表面时变条纹信号，21为对时变条纹信号积分所得的条纹图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

正弦相位调制同步积分算法采集调制周期内的四幅条纹图像，具有相位调制简单、测量精度高、抗干扰能力强等特点，在表面形貌、位移、角度和振动测量中被广泛应用。图像的同步采集是影响正弦相位调制同步积分法测量精度的关键。

第一部分为光纤干涉条纹投射系统，如图1所示。He-Ne激光器输出光经耦合透镜汇聚后，第一光纤臂a的端面耦合进入2×2型3dB光纤耦合器，光束在光纤耦合器3中实现分光，并分别进入基本等长，且分别紧密地缠绕在参考臂压电陶瓷4和测量臂压电陶瓷5上的第二光纤臂b和第三光纤臂c。使用光纤夹6夹持第二光纤臂b和第三光纤臂c的末端，保证二者端面平齐，两光纤臂末端可等效于点光源，满足杨氏双孔干涉条件，在待测物体7表面上投射高密度的余弦分布条纹。

第二部分为相位调制与稳定系统，如图1所示。条纹相位受环境因素影响而产生漂移，利用光电探测器9检测第二光纤臂b和第三光纤臂c末端反射信号形成的迈克尔逊干涉信号，相位稳定系统10提取环境引起的相位漂移量，与正弦相位调制信号相加后，共同驱动压电陶瓷。实现条纹相位调制的同时，也消除了环境因素的干扰。

第三部分为图像采集与形貌重建系统，如图1所示。第一部分中，相位经过正弦调制的干涉条纹被投射到待测物体7表面，待测物体7表面形貌对条纹调制而使条纹变形。时序控制器13生成曝光信号控制CCD相机8进行图像采集，生成图像读出信号控制上位机14读取图像，利用正弦相位调制同步积分算法来提取条纹图像相位。结合标定后的系统结构参数，实现待测物体7表面形貌重建。

光纤干涉条纹投射三维形貌测量系统原理如图1所示。光源1为He-Ne激光器，能够产生稳定的单模红光输出。耦合透镜2将激光器输出光束从第一光纤臂a的端面耦合进入光纤，采用2×2型3dB光纤耦合器3替代常用的分光棱镜，将光束分光后分别进入第二光纤臂b和第三光纤臂c。第二光纤臂b紧密地缠绕在参考臂压电陶瓷4上，第三光纤臂c紧密地缠绕在测量臂压电陶瓷5上，第二光纤臂b和第三光纤臂c的末端用光纤夹6固定，构成马赫—泽德干涉仪结构。在使用光纤夹6夹持第二光纤臂b和第三光纤臂c时，应尽量保证两端面平整，这样第二光纤臂b和第三光纤臂c的末端可等效于点光源，满足杨氏双孔干涉条件，才能在待测物体7的表面上投射高密度的余弦分布条纹。当满足远场近轴条件(即第二光纤臂b和第三光纤臂c之间的末端纤心间距远小于末端到待测物体7表面的距离)时，明暗相间的条纹在两纤芯连线的平行方向上呈余弦分布，垂直方向上为等值分布。条纹相位受环境因素(如温度、振动、气流等)影响而产生漂移，所以由光电探测器9采集第二光纤臂b和第三光纤臂c的末端反射信号形成的迈克尔逊干涉信号，由相位稳定系统10提取条纹相位漂移量，与正弦相位调制信号12叠加后，共同注入压电陶瓷驱动器11，实现条纹相位的调制与稳定。条纹图像受待测物体7表面形貌调制而产生变形，面阵CCD相机8在同步图像采集时序控制器13的作用下，采集满足正弦相位调制同步积分算法的四幅变形条纹图像，并上传到上位机14。上位机14采用图像处理方法提取条纹图像相位，进而实现待测物体表面形貌的重建。

为了实现对条纹信号的正弦相位调制，对测量臂压电陶瓷5注入正弦驱动电压信号12：

M(t)＝a·cos(ωt+θ) (1)

其中，a为调制信号幅值，ω为调制角频率，θ为调制信号的初相位，同时也是图像采集信号与相位调制信号间的最佳相差。物体表面时变的条纹信号20表示为：

s(x,y,t)＝A+Bcos[zcos(ωt+θ)+φ(x,y)+δ(t)] (2)

其中，A为投射条纹背景光强；B为投射的明暗条纹对比度；z为相位调制深度；φ(x,y)为条纹相位分布函数，代表了坐标点(x,y)的相位值；δ(t)为环境因素引起的相位漂移，通过相位稳定系统可以削减到零。按贝塞尔函数将式(2)展开得：

其中，J_n(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数。采用如图3所示的正弦相位调制同步积分算法时，必须在正弦相位调制周期内对时变条纹信号进行积分，定义单周期内积分所得的四幅条纹图像21的强度为：

将式(3)代入式(4)并化简，令中间变量Ψ_c、Ψ_s为：

其中，变量Ω_c、Ω_s为：

对式(5)中变量Ψ_s、Ψ_c作除法运算，可求解相位φ(x,y)如下：

分析式(4)可知，Ψ_s、Ψ_c可由四幅图像通过简单地加减运算得到，只需要计算Ω_c、Ω_s即可获得条纹图像的相位分布函数φ(x,y)。当满足最优正弦相位调制(z＝2.45，θ＝0.98rad)条件时，Ω_c＝Ω_s＝0.405，此时相位分布函数φ(x,y)的表达式可由(6)化简为：

考虑到面阵CCD相机8曝光、读出图像均需要一定时间，所以无法在单个调制周期内采集到连续的四幅图像。本方法拟在连续两个调制周期内，从八幅条纹图像中，采集所需的四幅图像。利用时序控制器13生成的外部曝光时序信号18，其上升沿触发面阵CCD相机8曝光，曝光时长通过编程确定，且等于四分之一调制周期。曝光结束后，利用时序控制器13生成的图像的读出时序信号19，其上升沿触发上位机14从面阵CCD相机8读取图像。以此类推，在连续两个调制周期内，可以依次得到如图3中阴影填充的条纹图像E₁、E₃、E₂和E₄。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)对测量臂压电陶瓷注入正弦驱动电压信号M(t)，获取被测物体表面的时变条纹信号s(x,y,t)，并按贝塞尔函数展开；

(2)利用时序控制器生成的图像的读出时序信号，上升沿触发上位机从面阵CCD相机中读取图像，在正弦相位调制周期内对时变条纹信号进行积分，在连续两个调制周期内，依次得到四幅条纹图像对应的强度E₁、E₃、E₂和E₄；

(3)通过四幅条纹图像的强度获取条纹图像的相位分布函数φ(x,y)；

其中，四幅条纹图像的强度具体为：

p＝1、2、3或4。

2.根据权利要求1所述的一种用于条纹投射三维形貌测量的CCD同步图像采集方法，其特征在于，所述相位分布函数φ(x,y)具体为：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Ψ}}_s}{{\mathrm{\Ψ}}_c}\frac{{\mathrm{\Ω}}_c}{{\mathrm{\Ω}}_s}\right)$

其中，中间变量Ψ_c、Ψ_s为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_c=E_1-E_2+E_3-E_4=\frac{16}{\mathrm{\π}}{\mathrm{B\Ω}}_c\cos \[\mathrm{\φ}(x,y)\]\\ {\mathrm{\Ψ}}_s=-E_1-E_2+E_3+E_4=\frac{16}{\mathrm{\π}}{\mathrm{B\Ω}}_s\sin \[\mathrm{\φ}(x,y)\]\end{array}\right.$

其中，中间变量Ω_c、Ω_s为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ω}}_c=\underset{n=1}{\overset{\∝}{\Σ}}\frac{J_{2n}\left(z\right)}{2n}\[1-{(-1)}^n\]\sin \left(2n\mathrm{\θ}\right)\\ {\mathrm{\Ω}}_s=\underset{n=1}{\overset{\∝}{\Σ}}\frac{J_{2n-1}\left(z\right)}{2n-1}{(-1)}^n\sin \[(2n-1)\mathrm{\θ}\]\end{array}\right.$

B为投射的明暗条纹对比度，θ为调制信号的初相位，J_n(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数。