CN104061879A - 一种连续扫描的结构光三维面形垂直测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用连续扫描方式的结构光三维面形垂直测量方法。在结构光投影装置的像面沿垂直方向连续扫描被测物体的同时，将N帧（N≧3）N步相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，CCD相机通过一个半透半反镜从同一个方向同步获取受到物体高度调制的正弦光栅图像。对采集的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换处理或者对连续N帧（N≧3）相移正弦光栅像的图片采用N步相移算法，从而得到正弦光栅像在物体表面的调制度分布。利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系重建物体三维面形。本发明不仅具有垂直测量的特点，同时还具有三维面形高精度测量的特点。

Description

一种连续扫描的结构光三维面形垂直测量方法

技术领域

本发明涉及结构光投影光学面形测量技术，特别是涉及投影方向和条纹图探测方向共轴的三维面形垂直测量方法。

背景技术

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、高精度、易于自动控制等优点获得很大发展。现有的光学三维传感方法主要包括：三角测量法、莫尔条纹法(Moiré Topography，简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)、空间位相检测术(Spatial Phase Detection,简称SPD)、位相测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,简称PMP)、调制度测量轮廓术(Modulation Measurement Profilometry,简称MMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制来获得三维物体面形信息。大多数结构光三维测量系统，结构光投影方向和摄像机探测方向之间存在一个夹角，因此投影一个正弦光栅（直条纹）到被测三维表面，从另一个方向观察到的是变形条纹，通过计算条纹的变形量重建三维面形。投影光轴和观察光轴之间的夹角越大，变形量越大，重建精度越高。然而，对于复杂的三维面形，夹角越大可能产生的遮挡和阴影问题越严重。与三角测量相对应，将投影光轴和观察光轴重合的测量方法称为“垂直测量”。基于调制度测量的三维面形测量方法采用了垂直测量原理，从而摆脱了基于三角测量原理的光学三维传感方法中阴影、遮挡等限制，可以实现表面高度变化剧烈或不连续的物体的测量（如：Likun Su, Xianyu Su, Wansong Li, and Liqun Xiang, Application of modulation measurement profilometry to objects with surface holes, Applied Optics, 38(7),1999,1153-1158）。在现有的调制度测量轮廓术中，采用傅里叶变换对每帧图片进行单独处理，各个像素点之间的相互影响以及滤波操作导致物体细节信息的丢失，会严重影响测量精度；采用对每一位置采集N（N≧3）帧相移条纹图利用N步相移方法计算调制度信息，将增加扫描过程中图像的采集数量，不仅影响了测量速度，而且还增加了图像的采集数量，不利于其实用性。应用本发明提及的结构光的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，并将N帧（N≧3）相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，再对所采集的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换处理或者对连续N帧（N≧3）图像采用N步相移算法从而实现三维面形测量的方法，不仅测量速度快，而且测量精度高。

发明内容

本发明是针对现有的调制度测量轮廓术中所出现的缺陷：利用傅里叶变换法精度不高以及相移算法所需采集的图片数量多且测量速度慢，提出一种新的垂直测量方法。该方法应用结构光的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，将N帧（N≧3）相移的正弦光栅像依次循环成像在被测物体上，在同一光轴方向上实现连续图像采集，再对所采集的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换处理或者对连续N帧（N≧3）图片采用N步相移算法处理，提取条纹的调制度信息，从而实现高精度的三维面形垂直测量。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

在结构光投影装置的像面沿垂直方向连续扫描被测物体的同时，将N帧（N≧3）N步相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，被测物体置于投影仪在初始位置时光栅成像面与最终位置时光栅成像面之间，CCD相机通过一个半透半反镜实现与投影光轴共轴，同步获取受到物体高度调制的正交光栅图像。对采集到的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换或者对连续N帧图片作N步相移处理，从而得到正弦光栅像在物体表面的调制度分布，利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系重建物体三维面形。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明提出采用连续扫描方式的结构光三维面形垂直测量方法实现高精度三维面形测量，其特征在于任意连续的N帧（N≧3）条纹图相邻条纹之间具有 相位差的关系。该方法只需进行一次扫描测量即可同时采用傅里叶变换和N步相移算法得到调制度值的分布从而实现三维面形的测量，除保留原有调制度测量轮廓术所具有的垂直测量优点外，还具有三维面形高精度、快速度测量的特点，在三维测量技术方面具有良好的应用前景。

2.本发明对采集到光栅像集利用傅里叶变换的方法逐个像素点沿时间轴进行处理提取调制度的分布，有效避免了同帧图像中各个像素点之间的相互影响以及采用对每一帧图像单独进行傅里叶变换处理获取调制度所出现细节丢失的现象，具有高精度测量的特点。

3.本发明利用对连续N帧（N≧3）相移的正弦光栅像采用N步相移算法获得正弦光栅像在物体表面的调制度分布，不仅可进行连续投影和图片采集，而且有效减少了光栅投影和图片采集的时间以及图片采集的数量，同时还保证了三维面形测量的精度。

附图说明

图1本发明高精度调制度测量轮廓术原理图。

图2本发明情况下模拟的中间位置条纹灰度图。

图3本发明情况下模拟的分别利用傅里叶变换处理和三步相移处理所得的调制度曲线图。

图4本发明测量系统的装置示意图。

图5本发明情况下利用傅里叶变换方法恢复得到的物体三维面形图。

图6本发明情况下利用傅里叶变换方法恢复得到的物体剖面图。

图7本发明情况下利用三步相移算法恢复得到的物体三维面形图。

图8本发明情况下利用三步相移算法恢复得到的物体剖面图。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的原理图如图1所示，1是投影仪，2是步进电机，3是半透半反镜，4是CCD相机，5是被测物体，6是投影仪在最初位置时的成像面，7是投影仪在中间位置时的成像面，8是投影仪在最终位置时的成像面，9是参考平面。在几何光学近似下，将一个正弦光栅放在投影透镜物平面的位置，考虑理想成像情况，经投影透镜成像后在像平面上得到的仍然是一个正弦光栅，本发明中是采用依次循环投影N帧（N≧3）关系为N步相移的正弦光栅在被测物体上，假设系统横向放大率为，物体表面反射率为，则N步（N≧3）相移的正弦光栅像平面上的光强分布可以表示为

(1)

其中为背景光强，为光栅成像面上的条纹对比度，是像平面的光栅频率。

根据成像理论，光栅成像面前后的模糊像可以由其聚焦像和相应的系统模糊方程即系统的点扩散函数的卷积得到，即

(2)

符号*表示卷积,为距成像面位置处的光强分布。

在实际光学系统中，由于光学系统的衍射、色散和透镜的畸变等因素，通常采用二维高斯函数表示系统的模糊方程，即

(3)

式中是扩散常数，相应于点扩散函数的标准偏差，与模糊斑半径成正比即，的值依赖于光学系统参数，在大多数实际情况下，可以近似取。

由(2)(3)两式可以得到投影像面前后的光强分布为

(4)

光栅投影像面前后的条纹调制度分布为

(5)

是投影像面上的调制度分布,由于点扩散常数与模糊斑半径成正比，而与离焦量成正比，因此(5)式可以改写为

(6)

式中是待测点到参考平面的距离，是光栅投影像面到参考平面的距离，是由系统决定的常数。

条纹的调制度分布可以由傅里叶变换方法或N步（N≧3）相移算法计算可得，当采用傅里叶变换方法处理时，对采集的图像集如式(4)所示的任意一像素点沿时间轴作傅里叶变换可得

(7)

选取适合的滤波窗将基频滤出，再对它进行逆傅里叶变换可得

(8)

由可计算出该像素点沿时间轴上的对比度，从而得到该像素点在时间轴上的调制度分布。当对条纹图上的每个像素点都作傅里叶变换，空间滤波，逆傅里叶变换，即可得到整个条纹的调制度分布。

当采用N步（N≧3）步相移的方法时，在采集到的图片集中，对于任意一位置（第m帧）的条纹图，利用该位置处前后N-1张条纹图（第m₁帧至第m₂帧, m₁=round[(N-1)/2]，m₂=N-m₁-1，round代表四舍五入操作）计算该位置的调制度分布，其表达式如下所示：

(9)

其中，代表第帧位置处的调制度值，，，mod代表求余操作。

该方法的测量装置如图4所示，1是投影仪，2是步进电机，3是半透半反镜，4是投影仪在最初位置正弦光栅的投影像面，5是投影仪在中间位置正弦光栅的投影像面，6是投影仪在最终位置正弦光栅的投影像面，7是参考平面，8是被测物体，9是CCD摄像机，10是计算机。在测量之前，要先对系统进行标定，即在投影仪置于最初和最终位置正弦光栅的两个投影像面之间测量一系列的平面，得到其调制度分布，建立调制度值与距离的映射关系。测量物体时，将物体置于标定的范围内，计算物体表面的调制度值分布，然后通过对标定建立的调制度值和距离的映射关系进行线性插值即可恢复出物体的高度信息。

下面给出了本发明中采用连续扫描方式的结构光三维面形垂直测量方法的一个实施例，但本发明不仅限于实施例中所涉及的内容。实施例中以三步相移的正弦光栅为例，被测三维物体是一个具有三层台阶的模型，模型的最高高度为70mm。测量系统标定的测量范围是112mm ,测量过程共采集160帧条纹图，图2是采集图片中中间位置（第80帧）的条纹图，图3是分别利用傅里叶变换和三步相移算法得到的像素点坐标为（60,150）的调制度曲线分布。图5和图6分别是利用傅里叶变换方法恢复得到的物体三维面形图及其剖面图，由傅里叶变换的方法所得物体的标准差为0.23367mm。图7和图8分别是利用三步相移算法恢复得到的物体三维面形图及其剖面图，由三步相移算法所得物体的标准差为0.21427mm。

Claims (7)

1.一种采用连续扫描方式的结构光三维面形垂直测量方法，其特征在于：结构光投影装置中正弦光栅的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，同时将N帧（N≧3）N步相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，CCD相机通过一个半透半反镜实现与投影光轴同轴，并同步获取受物体高度调制的正弦光栅图像。

2.如权利要求1所述，实现正弦光栅的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，可以采用整体移动投影装置，或连续改变投影镜头焦距，或对投影镜头连续调焦的方法，使正弦光栅的像面沿光轴方向连续扫描被测物体，同时将投影在物面上的正弦光栅同步依次循环移动N（N≧3）分之一个周期，使N帧相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上。

3.如权利要求1所述，实现正弦光栅的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，还可以采用移动投影装置物面上的正弦光栅，该正弦光栅平面垂直于投影系统光轴，但移动方向与光栅平面有一个小的角度，在移动正弦光栅的过程中，正弦光栅的像面沿光轴方向连续扫描被测物体，同时又实现正弦光栅的相移，即使N帧相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上。

4.如权利要求1所述，对采集到光栅像集利用傅里叶变换的方法逐个像素点沿时间轴进行处理提取调制度的分布；或者利用相邻的N帧（N≧3）条纹图采用N步相移算法计算调制度值，再利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系重建物体三维面形。

5.如权利要求1所述，采用依次循环投影N步（N≧3）相移正弦光栅实现高精度三维面形测量的方法，其特征在于任意连续的N帧条纹图两两之间具有 相位差的关系，该方法只需进行一次扫描测量即可同时采用傅里叶变换的方法和N步相移算法获取调制度信息。

6.如权利要求1所述，对采集到图片集利用傅里叶变换的方法逐个像素点沿时间轴进行处理提取调制度的分布，其特征在于，可有效避免同一帧条纹图中的各个像素点之间的相互影响，同时也可避免单独对每一帧条纹图进行傅里叶变换处理获取调制度分布所出现细节丢失的现象。

7.如权利要求1所述，利用相邻N帧（N≧3）条纹图采用N步相移算法计算调制度值，其特征在于，可以连续进行光栅投影和图片采集，缩短了用于光栅投影和图像采集的时间，减少了图片采集的数量，同时还保证了三维面形测量的精度。