CN104279980A - 一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，该系统仅需要一部智能拍照手机，该系统简单、经济、便携。调整系统使手机的前置摄像头能通过待测镜面物体观测到手机的显示屏。在显示屏上显示正弦条纹，然后用手机前置摄像头通过待测镜面物体记录变形的条纹，对变形条纹相位解调，获得待测镜面水平方向和垂直方向的梯度分布，最后对梯度积分得到待测镜面的三维形貌信息。本发明在测量过程中，主要使用的器件仅仅是一部带拍照功能的智能手机，利用本发明可以实现镜面物体表面缺陷及面形的简单、便携测量。

Description

一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统

技术领域

本发明涉及镜面或者类镜面物体表面或轮廓的计量的技术领域，是一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统的简单、便携的测量手段。

背景技术

随着精密光学制造、加工和集成电路、太阳能电池等领域的发展，镜面或类镜面反射物体的缺陷检测和三维面形测量显得越来越重要，如对自由曲面的镜面或透镜(如眼镜)的检测，对汽车表面等喷漆质量的控制(桔皮现象)，精密器件表面加工质量评估等。通过对各种镜面或类镜面表面的测量，可以得到相应制造过程中各种参数(如打磨转速，打磨材料等)对表面加工质量的影响，进而为提高改进加工工艺提供参考。

现有的镜面物体检测手段，由于存在着某些缺点，很难直接用于工业检测。干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体，并且对环境振动十分敏感，不适合用于工业测量环境。接触式三坐标机测量时间相当长(通常数小时以上)，而且可能破坏待测物体表面。对此，人们提出一种基于条纹反射的镜面物体三维测量方法。这是一种高灵敏、非相干的光学全场测量技术，可对任何材质的自由面形光滑表面(如各种非球面镜片，抛光的金属表面，汽车和飞机喷漆表面等)进行快速和高精度的曲率分布以及三维形貌测量。通过对精密加工工件表面微结构的分解分析，可以得到加工过程中工具的移动、振动等信息，也可以通过对喷漆表面起伏结构和微观结构的分解分析来研究改进不同漆料的配比和喷涂工艺等。

但是，传统的条纹反射法系统需要CCD相机、液晶显示屏、相机驱动电源、控制显示屏显示的电脑等，不够便携，一般需要将待测物体移至测量系统中再测量。黄磊等在2013年提出了一种紧凑的测量系统，虽然整个系统体积小大约(5×5×20cm3)，但是测量系统仍然需要CCD相机，对于有些需要即时测量的情况，不够方便、便携。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量的条纹反射系统，实现简单、便携的测量。

为了实现上述技术方案本发明采用以下技术方案：

一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、调整手机位置，使得前置摄像头通过待测镜面观测到手机显示屏；

步骤2、在手机显示屏上显示条纹；

步骤3、通过手机前置摄像头拍摄步骤中2条纹经待测镜面反射后得到的变形条纹，待测镜面的梯度信息被调制在变形条纹的相位中；

步骤4、步骤3中得到变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，将其载频去除，然后进行相位展开；

步骤5、步骤4中得到展开后的相位，通过相位梯度关系获得待测镜面的梯度信息，对梯度积分得到三维形貌。

上述技术方案中，对于步骤3中所述变形条纹的光强表示为：

水平方向：

竖直方向：

其中，I(x,y)和J(x,y)表示手机相机记录的光强分布，A₁(x,y)和A₂(x,y)分别表示水平方向和竖直方向的背景光强，B₁(x,y)和B₂(x,y)分别表示水平方向和竖直方向的调制度分布，f₀(x,y)表示载频的频率函数，和分别表示水平方向和竖直方向的与待测镜面的梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：

上式分别表示待测镜面表面的梯度在水平方向和竖直方向上的分量与相位的关系，式中L_y表示显示屏到待测镜面的距离，P_x和P_y分别表示手机显示屏上显示的水平方向和竖直方向正弦条纹的周期,S_x和S_y分别表示水平方向和竖直方向上的梯度分量。

上述技术方案中，所述步骤4中，对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调，得到总相位，采用基于傅里叶变换相位解调办法，先对变形条纹光强进行傅里叶变换，得到频谱，通过带通滤波器，将频谱中的一个基频分量提取出来，然后对该基频分量进行逆傅里叶变换，逆傅里叶变换后的矩阵为F(x,y)，那么变形条纹的相位可通过以下表达式求得：

其中，为变形条纹相位，Im表示取虚部的算符，F^*(x,y)为F(x,y)的共轭。

上述技术方案中，所述步骤4中将其进行相位展开表示将值域在-π到+π内的截断相位展开成连续相位，具体的展开方法可以分为空间相位展开方法和时间相位展开方法，空间相位展开方法又分为路径展开方法(如质量图导向展开和洪水算法)和全局展开(基于最小二乘的展开算法)。

上述技术方案中，所述步骤5中的对梯度积分得到三维形貌中的梯度是指通过步骤4中的相位以及相位梯度关系获得的梯度，为了得到物体表面的三维高度分布，需要对得到的两个垂直方向分布的梯度分量进行二维积分，具体过程如下：

Z＝∫S_xdx+S_ydy

其中，Z即待测物体表面的三维高度分布，S_x和S_y分别指梯度在水平方向和竖直方向的分量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明的测量设备仅需要一台带前置摄像头的智能手机，较所知的任何镜面物体三维测量系统(干涉、扫描或其他条纹反射系统)都要简单、经济、便携。

2.本发明与常用的干涉法测量三维面形相比，可靠性和耐用性更高，成本更低；与运用超高精度接触式三维坐标测量仪测量的方法相比，具有测量速度快，横向分辨率高等优点。

3.本发明结合手机中的数据处理软件，还可以实现测量物体三维数据的即时获取，适用于测量各种尺寸、曲率分布、甚至液体等表面。

附图说明

图1是本发明一种基于智能拍照手机的条纹反射法测量镜面物体方法的流程图；

图2是本发明一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统的示意图；

图3是本发明的具体实施例中手机前置摄像头拍摄到的手机显示屏上的条纹，其中显示屏上的水平方向和竖直方向的正弦条纹结合在一幅条纹图中；

图4是图3中的一部分，是本发明具体实施例中需要测量的镜面部分上的条纹；

图5是本发明具体实施例子中测量的凹面镜的三维高度结果图；

图中1-为手机、2-手机前置摄像头、3-待测镜面。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

实施例

如图1所示为一种基于智能拍照手机的条纹反射法测量镜面物体方法的流程图。

本实施例以一个凹面反射镜作为待测物体进行测量。

一种基于智能拍照手机的镜面物体三维面形测量系统，其测试方法包括以下步骤：

S1：设置实验系统：实验系统包括带前置摄像头的智能手机1(实验中所使用的手机为一款国产的智能手机，前置摄像头的分辨率为30万)，待测物体(凹面镜)3，将手机摆放在凹面镜上方，调整手机的倾斜角度使手机前置摄像头2通过凹面镜3表面观测到手机的显示屏，如图2所示；

S2：手机显示屏上生成正弦条纹，实验中水平条纹和竖直条纹同时显示(复合条纹图)，复合条纹的表达式如下所示：

I(x,y)＝a+bcos(2πf₀(x,y)x)+bcos(2πf₀(x,y)y).

式中I(x,y)代表复合正弦条纹，a表示背景光强度，b表示调制度函数，f₀(x,y)表示手机上显示的正弦条纹的频率。

S3：手机前置摄像头2观察S2步骤中的复合条纹经过凹面镜3反射后得到的复合变形条纹，如图3所示为拍摄到的复合变形条纹图，凹面镜3表面的梯度信息被调制在复合变形条纹的相位中。用手机拍摄得到的变形条纹表达式如下：

式中J(x,y)代表变形复合正弦条纹，a'表示背景光强度，b'表示调制度函数，f₀(x,y)表示手机上显示的正弦条纹的频率，和表示相位，该相位分别与凹面镜表面梯度的水平分量和竖直分量有关，具体关系如下：

式中L_y表示显示屏到待测镜面的距离，P_x和P_y分别表示手机显示屏上显示的水平方向和竖直方向正弦条纹的周期,S_x(x,y)和S_y(x,y)分别表示水平方向和竖直方向上的梯度分量。

S4：取图3中凹面镜需要测量的部分的变形条纹数据，即实验中只用到了一部分变形条纹，得到图4.

S5：对S4步骤中得到的水平方向和垂直方向的变形条纹分别进行相位解调，由于是复合条纹，采用傅里叶变换的方法解调相位，首先对变形条纹傅里叶变换，选取频谱中的一个基频分量，然后对该分量逆傅里叶变换，最后求逆傅里叶变换后的相位角即为原变形条纹的相位。

S6：利用条纹反射法的相位梯度关系得到凹面镜3表面的梯度分布数据，对梯度积分得到凹面镜3表面的三维形貌。实验中所用的积分算法是基于Southwell模型的积分算法。基于该模型可以将重建高度和梯度分布的关系表示出来，用dx、dy表示水平和垂直方向相邻像素点的间距，即

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_x(i+1,j)+S_x(i,j)}{2}=\frac{Z(i+1,j)-Z(i,j)}{d_x}i=\mathrm{1,2},...,(N-1),j=\mathrm{1,2},...,N;\\ \frac{S_y(i,j+1)+S_y(i,j)}{2}=\frac{Z(i,j+1)-Z(i,j)}{d_y}i=\mathrm{1,2},...,N,j=\mathrm{1,2},...,(N-1);\end{array}\right.$

式中i和j表示像素点行和列的位置，一共有N*N个像素，S_x(i,j)和S_y(i,j)表示水平方向和竖直方向的梯度分量在(i,j)点的值，Z(i,j)表示凹面镜表面(i,j)点处的高度值。

将上式表示为矩阵形式，

G＝DZ

其中G是测得的梯度，Z是重建高度值，D是系数矩阵。可以根据该式和前面所得的梯度计算得到凹面镜表面的高度。实验中的高度计算结果如图5所示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明可扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、调整手机位置，使得前置摄像头通过待测镜面观测到手机显示屏；

步骤2、在手机显示屏上显示条纹；

步骤3、通过手机前置摄像头拍摄步骤中2条纹经待测镜面反射后得到的变形条纹，待测镜面的梯度信息被调制在变形条纹的相位中；

步骤4、步骤3中得到变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，将其载频去除，然后进行相位展开；

步骤5、步骤4中得到展开后的相位，通过相位梯度关系获得待测镜面的梯度信息，对梯度积分得到三维形貌。

2.根据权利要求1所述基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：对于步骤3中所述变形条纹的光强表示为：

水平方向：

竖直方向：

其中，I(x,y)和J(x,y)表示手机相机记录的光强分布，A₁(x,y)和A₂(x,y)分别表示水平方向和竖直方向的背景光强，B₁(x,y)和B₂(x,y)分别表示水平方向和竖直方向的调制度分布，f₀(x,y)表示载频的频率函数，和分别表示水平方向和竖直方向的与待测镜面的梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：

上式分别表示待测镜面表面的梯度在水平方向和竖直方向上的分量与相位的关系，式中L_y表示显示屏到待测镜面的距离，P_x和P_y分别表示手机显示屏上显示的水平方向和竖直方向正弦条纹的周期,S_x和S_y分别表示水平方向和竖直方向上的梯度分量。

3.根据权利要求1所述基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所述步骤4中，对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调，得到总相位，采用基于傅里叶变换相位解调办法，先对变形条纹光强进行傅里叶变换，得到频谱，通过带通滤波器，将频谱中的一个基频分量提取出来，然后对该基频分量进行逆傅里叶变换，逆傅里叶变换后的矩阵为F(x,y)，那么变形条纹的相位可通过以下表达式求得：

其中，为变形条纹相位，Im表示取虚部的算符，F^*(x,y)为F(x,y)的共轭。

4.根据权利要求1所述的基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所述步骤4中将其进行相位展开表示将值域在-π到+π内的截断相位展开成连续相位，具体的展开方法可以分为空间相位展开方法和时间相位展开方法，空间相位展开方法又分为路径展开方法和全局展开。

5.根据权利要求1所述的基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所述步骤5中的对梯度积分得到三维形貌中的梯度是指通过步骤4中的相位以及相位梯度关系获得的梯度，为了得到物体表面的三维高度分布，需要对得到的两个垂直方向分布的梯度分量进行二维积分，具体过程如下：

Z＝∫S_xdx+S_ydy

其中，Z即待测物体表面的三维高度分布，S_x和S_y分别指梯度在水平方向和竖直方向的分量。