CN104655051A - 一种高速结构光三维面形垂直测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用投影单帧结构光图像的高速三维面形垂直测量方法。在结构光投影装置中采用一个特殊的组合投影镜头，该镜头包括一个普通投影镜头和一个柱透镜。组合投影镜头将1帧正交光栅图像成像在被测物体上，正交光栅水平条纹的像与垂直条纹的像被分离。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交光栅图像。对采集的图片进行傅里叶变换、滤波和逆傅立叶变换，得到正交光栅像的水平条纹分量与垂直条纹分量的调制度在物体表面的分布。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。本发明能实现通过单帧条纹图拍摄即可重建物体三维形貌，具有实现高速垂直测量的特点。

Description

一种高速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探测方向共轴的高速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，在计算机视觉、生物医学、工业检测、逆向工程、影视特效、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，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，通常采用傅里叶变换对单帧图像进行单独处理，或者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。若使用对每一位置采集N（N≧3）帧相移条纹图利用N步相移方法计算调制度信息的方法，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。在已有的采用傅里叶变换获取调制度的方法中，使用投影光栅调制度变化曲线的单边，或者使在物方前后分离放置横光栅和竖光栅条纹，分别得到两光栅的调制度曲线并使之正交（如：Kasai Yoichiro, Miyamoto Yoko, Takeda Mitsuo, Tanaka Hideyuki, Gu Ruowei. Absolute 3-D Sensor with single fringe-pattern recording. Proc SPIE, 2002;4900:173–7）。两种方法均通过建立调制度与高度之间的映射关系实现三维面形测量：第一种方法，其调制度易受物体表面反射率不均强的影响；第二种方法在实现时，光路系统复杂，校准难度高，且由于在投影物方，横竖两光栅依次放置，使得两光栅的像在通过光学系统后发生卷积，经傅里叶变换后，其频谱容易在频率域产生乘积项，致使引入误差。应用本发明提及的在投影系统中采用一个普通投影镜头和一个柱透镜构成的组合透镜，将1帧正交光栅图像投影在被测物体上时，正交光栅水平条纹的像面与垂直条纹的像面在投影方向上分离，可得到对应水平条纹和垂直条纹的分离的两个调制度曲线，利用这两条曲线建立高度映射关系后，每次只需在被测物体上拍摄单帧条纹，即可根据映射关系重构三维物体。该方法通过两条调制度曲线，消除反射率不均强的影响，且其通过单帧图像的处理即可得到物体高度的特点，可以应用于高速，甚至动态测量领域。

发明内容

针对现有的调制度测量轮廓术中所出现的不足：相移算法所需采集的图片数量多且测量速度慢，使用双光栅在物面分离得到正交调制度曲线的测量系统复杂且会在频域发生频谱混叠。本发明提出一种新的高速垂直测量方法：该方法中，采用一个普通投影镜头和一个柱透镜构成的组合透镜，投影一个正交光栅的像在被测物体上，正交光栅水平条纹的像面与垂直条纹的像面在投影方向上分离，水平条纹分量与垂直条纹分量的调制度曲线在像方形成交叉，由此建立高度映射关系。拍摄物体后将其每一点的调制度映射到高度，即可恢物体的三维形貌。从而真正实现通过单帧拍摄即获取物体高度信息的高速三维面形垂直测量。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

结构光投影装置投射正交光栅条纹图，投影物镜和柱透镜将将正交光栅的水平条纹的像面与垂直条纹的像面在投影像方分离，两种条纹在各自的像面上具有最大的调制度，而在两个像面之间，两种条纹的调制度逐渐变小。因此，在两个像面之间两种条纹的调制度分布形成交叉。对放置于投影光场内的待测物体，摄像机通过一个半透半反镜获取受物体高度调制的正交光栅图像，通过傅里叶变换计算每个像素点水平条纹和垂直条纹的调制度，即可根据调制度与高度的映射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.本发明只需拍摄投影在物体表面的单帧结构光图像就可以实现三维面形测量。三维面形信息获取速度只取决于摄像机的拍摄速度，具有高速测量的特点。

2. 与普通的结构光测量中采用的三角测量方法不同，本发明中投影光轴和观察光轴重合，采用基于调制度测量的垂直测量原理，从而摆脱了基于三角测量原理的结构光三维测量方法中阴影、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垂直测量。

3.本发明使用交叉的两条调制度曲线建立高度映射关系，可以消除物体表面反射率不均的影响，同时避免了水平条纹和垂直条纹的频谱混叠。

4.本发明利用普通透镜和柱透镜的组合将投影正交光栅的水平纹与垂直纹在像面分开成像聚焦。水平条纹和垂直条纹调制度曲线的交叉部分，即实现垂直测量的范围。测量范围的大小可以通过改变透镜和柱面镜焦距及投影条纹的周期而改变，很容易适应不同测量范围的要求。

附图说明

图1 本发明高速调制度测量轮廓术原理图。

图2 本发明测量系统的装置示意图。

图3 本发明测量系统实验得的调制度交叉曲线图。

图4实验中由调制度建立的高度映射曲线图。

图5 本发明测量系统实验的特定高度检验平面的灰度条纹图。

图6 本发明测量系统测量恢复的检验平面。

图7本发明实验中得到的受物体高度调制的光栅条纹图。

图8 本发明实验中测量恢复的物体三维形貌图。

图9本发明实验中测量恢复的物体三维形貌的剖面图。

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，图（a）是建立高度映射的原理图：1是投影照明光源，2是聚光透镜，3是正交光栅载体，4是由一个普通投影透镜和一个柱透镜组成的特殊投影镜头，5是半透半反镜，6是摄像机， 8是扫描的起始位置面，9是扫描测量区域的终止位置面，11是平移台；图（b）是测量物体时的原理图：7是待测物体，10是测量时的参考平面。

在几何光学近轴近似下，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的像。本发明中投影一个正交光栅，经投影物镜及柱透镜后，可以近似认为水平光栅条纹与垂直光栅条纹在两个位置分别聚焦成像，互不干扰。以垂直光栅为例，设系统对垂直光栅的横向放大率为M，物体表面反射率为R(x,y),垂直光栅像平面上光强分布可表示为：

                                                                        (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，C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)

垂直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，是垂直光栅投影像面到参考平面的距离，是由系统决定的常数。

    根据（6）式，垂直条纹的调制度由待测点到参考平面的距离和物体表面的反射率决定。

同理根据上述推导, 也可以写出水平光栅投影像面前后的条纹调制度分布。所以，在物体表面的垂直光栅像和水平光栅像的调制度分布可以分别表示为M_V与M_H：

                     (7)

                     (8)

本发明利用两个方向的光栅条纹的调制度进行运算的方法来去掉物体表面反射率的影响。将被测物体放于正交光栅的两个成像面之间，垂直光栅条纹与水平光栅条纹的调制度分布，在此区域为单调的部分，且形成“X”形交叉，利用这部分调制度分布建立调制度与高度的一一对应关系，可得到一条单调的高度映射曲线。所以，只要预先标定出调制度与两光栅成像面之间距离的对应关系，就可以恢复出放置在标定区域的物体的高度信息。

将正交光栅投影到被测物体表面，物体表面的条纹强度分布可表示为：

        (9)

对(9)式两端进行傅里叶变换可得：

        (10)

由于采用直接投影正交光栅，水平条纹与垂直条纹的基频在频域分开且无乘积项，利用滤波分别得到两组条纹的基频和。对其进行逆傅里叶变换可得：为得到两组条纹的调制度分布：

                    (11)

                    (12)

由和可计算出条纹对比度和，从而得到条纹的调制度，即可建立调制度与高度的映射关系。

该方法的测量装置如图2所示，1是投影光源，2聚光透镜，3是正交光栅载体，4是由一个普通投影透镜和一个柱透镜组成的特殊投影镜头，5是半透半反镜，6是摄像机，7是待测物体，8与9之间是测量范围，10是测量物体的参考面，12是计算机。在测量之前，要先对系统进行标定，即依次测量在扫描面置于最初和最终位置正交光栅的两个投影像面之间测量一系列的平面的正交光栅像，得到其调制度分布，根据这一系列光栅像，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，只需拍摄单帧物体条纹图，计算物体表面的调制度值分布，然后通过标定建立的调制度值和高度的映射关系进行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高速结构光三维面形垂直测量方法的两个实施例，但本发明不仅限于实施例中所涉及的内容。实施例中，测量系统标定的测量范围是95mm,标定间隔为5mm,得到测量测量图像（550,550）像素的两条调制度曲线如图3所示；使用调制度运算后建立的高度映射曲线图如图4所示。

被测三维物体之一是一个与参考平面平行的平面（称为检验平面，其条纹图如图5所示），设计检验平面距参考平面距离为47.50mm。测量结果如图6所示，测量得到的高度为47.50mm，测量标准差为0.04mm。

被测物体之二是一个具有2个高度梯度和一个中心内孔的圆台标准件物体。其灰度条纹图如图7所示，物体第一个台阶高度为25.25mm，第二个台阶高度为 57.75mm。图8为测量后恢复物体的三维面形图。图9为恢复物体的剖面图。中心内孔清晰可见；第一个台阶测量得到的高度均值为25.15mm，误差0.10mm；第二个台阶测量得到的高度为均值为57.86mm，误差0.11mm 。结果证明了该发明用于三维面形垂直测量的可行性。

Claims (5)

1.一种采用投影单帧的结构光的高速三维面形垂直测量方法，其特征在于：在结构光投影装置中采用一个特殊的组合投影镜头，该镜头包括一个普通投影镜头和一个柱透镜，组合投影镜头将1帧正交光栅图像成像在被测物体上，摄像机通过一个半透半反镜实现摄像机光轴与投影装置光轴同轴，获取一帧受物体高度调制的正交光栅图像，实现三维面形的垂直测量。

2.如权利要求1所述，正交光栅图像设置在结构光投影装置中的载体上，该载体可以是透明的光学材料（例如光学玻璃），也可以是光电器件（例如：数字微镜（DMD），液晶显示器（LCD），以及硅基液晶（LCOS））。

3.如权利要求1所述，组合投影镜头中，柱透镜可以位于普通投影镜头的前面或后面，柱透镜的母线与正交光栅图像中某一方向的光栅平行（与另一方向的光栅垂直），不失一般性，假定正交光栅水平条纹为x方向，垂直条纹为y方向，柱透镜的母线与正交光栅的垂直条纹平行。

4.组合投影镜头将1帧正交光栅图像投影在被测物体上时，正交光栅水平条纹的像面与垂直条纹的像面在投影方向上分离，其分离量可以通过控制柱透镜的曲率实现调控，使与所需的测量范围匹配。

5.如权利要求1所述，对采集到的一帧正交光栅图像进行傅里叶变换、滤波和逆傅立叶变换，得到正交光栅像的水平条纹分量与垂直条纹分量的调制度在物体表面的分布，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，该方法可以实现实时的三维重建，在实时动态三维测量以及实时三维视频技术方面具有良好的应用前景。