CN104501741B - 一种用于三维面形测量的正交光栅相移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交光栅相移方法。在传统的正交光栅相移方法中，为解调出两正交方向的相位信息，通常需对正交的两个方向(即水平方向和垂直方向)条纹分别进行相移，因此需要2N(N≧3)帧图像才能得到各自的相位分布，当采用机械装置进行相移时，则须采用二维平移机构。本发明提出将正交光栅沿一特定方向进行相移，使其水平方向条纹和垂直方向条纹的相移量具有整数倍关系，从而实现两个正交方向条纹同步相移，通过N帧相移图像，即可计算出各方向的相位分布。本发明可同时进行两个正交方向条纹相移，当采用机械装置时，仅须一维平移机构，特别适用于采用正交光栅的三维面形测量系统。

Description

一种用于三维面形测量的正交光栅相移方法

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于相位测量方法的三维面形测量。

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。在现有的光学三维传感技术方法中，基于相移方法的相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,简称PMP)和相位测量偏折术(Phase Measuring Deflectometry,简称PMD)等，每个像素的相位值由一系列相移图像计算得到，因而具有精度高等优点。其中相位测量轮廓术用于测量漫反射物体；而相位测量偏折术则可实现对镜面或类镜面物体的高精度测量，与广泛应用的干涉计量相比，相位测量偏折术具有测量系统简单、成本低、无需补偿器件等优点。但在相位测量偏折术的应用中，通常需要分别投影或显示一维水平和垂直光栅，然后再完成各方向相移，进而获取相位分布，若测量系统中采用机械装置带动物理光栅相移时，则需在水平和垂直两种光栅中进行切换，需要依次完成两个正交方向的相移。为此Canabal 等提出采用正交光栅，避免了在水平和垂直两种光栅之间的切换，该方法被用于莫尔偏折术中，但仍需二维平移装置分别完成水平和垂直方向相移，且在进行一个方向（比如水平方向）相移时，另一方向光栅（垂直光栅）中的低强度区域将会降低相位测量精度，为提高测量精度需要是将垂直光栅相移半周期，对水平方向再次进行相移测量，因此最终需要2×2×N(N≥3)幅图像。

发明内容

本发明针对采用正交光栅的相位测量方法中，为解调出两正交方向的相位信息，通常需对正交的两个方向(即水平方向和垂直方向)条纹分别进行相移，因此需要2N(N≧3)帧图像才能得到各自的相位分布，当采用机械装置进行相移时，则须采用二维平移机构，从而增加了系统成本，使得系统结构复杂化，并且相移过程中会出现固定的低强度区域，为保证相位测量精度，需进行两次测量，提出一种正交光栅相移方法，将正交光栅沿一特定方向进行相移，使其水平方向条纹和垂直方向条纹的相移量具有整数倍关系，从而实现两个正交方向条纹同步相移，由于正弦光栅的移动方向为某一特定方向，因此仅仅需要一维平移装置，此外，相移过程中也不会出现固定的低强度区域，即无需拍摄额外图像，在实际测量中，仅需N(N≥5)幅图像即可计算出相位分布。

本发明的目的采用下述技术方案来实现：

将原独立的水平和垂直一维正弦光栅集成为单幅正交正弦光栅图，在相移时，采用N(N≥5)帧满周期相移技术进行相移，将其中一正交方向条纹相移量设定为2π/N，另一正交方向条纹相移量为2kπ/N，k的取值范围为[2, N-2]，在获取N幅图像后，即可按照满周期相位计算公式求解出各方向相位分布，本发明不需要对各方向条纹进行单独相移，即可计算出两正交方向相位分布，且最少仅需5幅图像。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明将两正交方向相移同时进行，其最小相移帧数为N(N≥5) ，即可获取待测物体的绝对相位分布，而传统方法中需要2N幅图像；

2、本发明采用正交光栅相移，相移过程中不会出现固定的低强度区域，因此无需拍摄额外图像；

3、本发明若采用物理光栅时，仅需一维平移台沿一特定方向相移，在获取N帧相移图像后即可计算出两正交方向相位，而现有方法中，需采用二维平移台分别对水平和垂直光栅进行相移。

附图说明

图1 为相位测量偏折术的测量系统示意图，系统包括显示屏、相机和待测物体；

图2 为传统的三帧相移条纹图所需的6幅图像，分别对应竖直条纹相移和水平条纹相移；

图3 为本发明中提到的正交光栅相移过程示意图；

图4 为实施例中拍摄的某一帧正交光栅图像；

图5 为实施例中的测量结果。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明方法既适用于相位测量偏折术同样也适用于相位测量轮廓术。这里以基于正交光栅相移的相位测量偏折术方法为例，其所采用的光路与传统的相位测量偏折术测量光路相似。图1为系统示意图，系统由待测物体表面、光栅显示屏与摄像机构成，显示屏为LCD显示屏，显示由计算机产生的正交光栅，摄像机在另一位置拍摄被物体表面反射的变形条纹，通过分析拍摄到的图像计算出相位分布，在预先标定好的系统中，由相位分布可计算出对应的显示屏坐标，在确定入射光线I和反射光线R的方向后，即可计算出法线方向，进一步可计算出待测表面梯度，进而重建出待测面形。光栅显示屏也可以是漫反射屏，接收由投影仪投影的正交光栅，还可以是将正交光栅图样通过打印、印刷、光刻等方式生成的光栅模板。

由计算机生成N帧正交光栅条纹图，摄像机拍摄下得到其对应图像，其强度分布可以表示为：

(1)

其中a为背景光强，b₁和b₂分别为水平和垂直方向条纹的调制度，x和y为世界坐标，φ_x和φ_y是待测相位，N为相移次数，k为指定整数，取值范围为[2,N-2]。对于x方向，其每帧相移量为2π/N; 而在y方向，其每帧相移量为2kπ/N。即对于x方向的光栅，其相移总量为2π，对应一个周期，而在y方向相移总量则为2kπ，对应k个周期。相位计算的方法与相位测量轮廓术类似，为：

(2)

获取的相位值是介于[-π, π]的截断相位，需展开为连续相位分布，进而重建待测三维面形。

在双频正交光栅相移中，正交光栅的移动方向将由x和y方向各自的光栅周期以及整数k确定，若设定N=5，k=2，则相移过程将如图3所示。红点表示正交光栅中某一固定高亮点，该高亮点随着相移移动，可以看出：经过5步相移后，水平条纹移动了一个周期，而垂直条纹则移动了两个周期，并且光栅的移动方向既不是水平方向也不是垂直方向，而是与水平和垂直方向成一定夹角。在图3中两个方向的条纹周期相等，因此图3中光栅移动方向与水平轴的夹角为tan^-1(1/k)=tan^-1(1/2)。

下面给出了本发明用基于正交光栅相移的相位测量偏折术进行三维测量的一个实施例，本发明包含但不限于此实施例中的内容。

在本实施例中，用LCD显示屏与CCD相机构成相位测量偏折术测量系统，显示屏分辨率为1280*1024pixels，相机分辨率为1600*1200pixels，首先进行相机标定、显示屏标定并进而完成系统标定。待测对象为一眼镜片，尺寸为Φ70mm，正交光栅中两个正交方向的条纹周期均为8pixels，在本实施例中采用N=5，k=2，并且由于非线性效应将影响测量精度，因此需预先进行非线性校正。所拍摄的某一帧变形条纹如图4所示。获取的两正交方向截断相位分布如图5a和5b所示，图5c为重建待测面形。

Claims (3)

1.一种用于三维面形测量的正交光栅相移方法，其特征在于：同时对正交光栅中的两个正交方向条纹进行相移，当采用N帧满周期相移技术进行相移时，其中一个正交方向条纹相移量设定为2π/N，另一个正交方向条纹相移量为2kπ/N，k的取值范围为[2,N-2]，且N≥5；在获取N幅图像后，即可按照满周期相位计算公式

求解出各方向相位分布，本方法不需要对各方向条纹进行单独相移；

所述的正交光栅图样是采用正弦或余弦周期沿正交方向，即x和y方向构造具有复合相位信息的二维特征图像。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的正交光栅可以是光栅模板，通过印刷、打印或光刻制作出所述的特征图像；也可以是数字光栅，采用光电器件显示所述的特征图像。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的正交光栅相移可以是将计算机产生的N幅相移正交光栅图，由所述的光电器件投影或显示来完成相移；也可以采用一维平移装置移动物理光栅实现相移。