CN105806257A - 一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法，用于高反射物体表面的三维重建，本系统采用光线反射原理获取高反射物体表面的法线信息,继而获得曲面信息，由光场投射系统，光线感知系统。本方法是通过相位恢复术确定入射光线和反射光线的对应性计算待测物体表面三维点。本发明相较普通相位偏折术不存在‘法线不唯一问题’，并且在光场相机模式下，对物体表面高度变化有更高的响应特性，能够得到更高的测量精度，填补了国内外基于光场的偏折术测量系统的空白。

Description

一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法

技术领域

本发明设计光学测量领域，具体为一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法。

背景技术

光学三维形貌测量技术以其非接触、精度高、速度快等优点在航空航天、汽车制造业、反向工程、计算机辅助设计、计算机辅助制造等领域得到了广泛应用。结构光投影获取物体三维面形具有快速全场测量，测量精度较高等优点，已被广泛地应用于漫反射表面的三维测量。现在制造领域，针对镜面，近镜面等高反射表面的测量需求也很多，如光学制造领域的光学元件表面，镜面以及抛光磨具等，对这些高反射表面，常采用相位偏折术法进行测量。

相位偏折术是根据物体表面的镜面反射特性，由投影设备向待测物体投射调制图像，由CCD摄像机接收被测物体表面所形成的投影图像，根据入射光线和反射光线的几何关系恢复出被测物体的三维形貌。相位偏折术首先需要测量标准平面镜得到标准图像，然后测量待测物体，由于物体表面的高度变化将使CCD相机拍摄的图像发生变形，通过相位恢复算法得到变形条纹的相位图，将之与标准图像的相位比较，得到相位该变量。利用光线偏折原理建立相位改变量与待测物体梯度的关系。

由单投影设备和CCD摄像机组成的相位偏折术测量系统，具有求解‘法线不唯一’的缺点，测量系统有较大误差。目前国内外基于相位偏折术提出了多种实现对高反射物体表面的形貌测量的解决方案，但是都存在着一定的不足。如国外的MarkusC.Knauer提出的测量系统由LCD和两个CCD摄像机组成，缺点是使用两个相机增加了成本；四川大学肖永亮提出的测量系统由两个LCD显示器和一个CCD摄像机组成，缺点是CCD和LCD的位置关系不容易标定；上海大学陶涛提出的测量系统由一个放在精密导轨上面LCD显示器和一个CCD摄像机组成，缺点是使用了辅助导轨，增加了导轨运动误差，降低了测量精度。而且就目前来说，国内外以光场相机为基础组成的光场偏折术测量系统还没有出现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法，系统用于提高高反射物体表面三维重建的精度和效率，给出该系统的硬件结构，以及应用该系统的方法，使得系统能够在普通相机和光场相机模式进行高反射物体表面的三维测量，同时在光场相机模式下系统对物体高度变化有更高的响应特性，为高精密物体表面测量提供了一定的技术支持。

为达到上述目的，本发明的构思是：

一种高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法，用于高反射物体表面的三维重建，系统采用光线反射原理获取高反射物体表面的法线信息,继而获得曲面信息，它包括光场投射系统，光线感知系统和应用方法。所述光场投射系统由双层平面调制器构成.所述平面调制器可通过LCD或者LCos实现对光线亮度的调制，通过对两个平面进行编码，赋予投射光场中的每根光线唯一的标识。所述光线感知系统可以是具有微小光圈的普通相机或者光场相机。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种高反射物体表面光场偏折术测量系统,包括光场投射系统、光线感知系统，外框和待测物体；所述光场感知系统通过其中的一个相机角度调节板支撑螺纹连接固定在光场投射系统中的一个双显示器连接上盖板上；所述光场投射系统通过4个连接件螺纹连接固定在外框上；所述待测物体放置在光场感知系统中的一个相机视场和光场投射系统投射区域交集的区域。

所述光场感知系统带有一个具有微小光圈的普通相机或者光场相机，该相机通过螺钉固定在所述相机支撑板上，相机支撑板通过螺钉固定在所述相机角度调节板上，相机角度调节板通过螺钉固定在相机角度调节板支撑上；通过相机拍摄待测物体表面反射的光线获得光场投射系统投射的光场。

所述光场投射系统：一个前显示器插置在一个前显示器左卡槽和一个前显示器右卡槽中，该两个卡槽通过螺钉固定在一个双显示器连接上盖板和一个双显示器连接下盖板上；一个后显示器插置在一个后显示器左卡槽和一个后显示器右卡槽中，该两个卡槽通过螺钉固定在一个双显示器连接上盖板和一个双显示器连接下盖板上，在侧面；所述前显示器左卡槽、前显示器右卡槽、后显示器左卡槽和后显示器右卡槽由螺钉固定在所述连接件上构成两层平面调制器；所述前显示器和后显示器可通过LCD或者LCos实现对光线亮度的调制，前显示器只有LC层，后显示器同时具有LC层和背光光源，前后两个显示器分时显示调制图像，通过时间编码法对显示器发出的光线进行编码，赋予投射光场中的每根光线唯一的标识。

所述普通相机，具有微小光圈的普通相机对高反射物体反射的光场进行成像，每个像素对应于空间中的一根光线。

所述光场相机，光场相机由于其特有的结构，例如微透镜阵列式的空间复用型光场相机，在大光圈下可对空间光线实现采集，每个像素对应空间中的一根光线。

所述应用方法，其操作步骤分为三步。

首先通过分时方法编码投射光场，前显示器显示调制图像，后显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息，后显示器显示调制图像，前显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息。

其次通过对两次拍摄获得的待测物体表面的相位信息进行处理，确定两次获得的相位信息在待测物体1上的对应性。

最后通过对应性确定通过待测物体表面点的反射光线和入射光线的对应性；根据入射光线和反射光线求交计算恢复出三维物点，也可以在发现信息的基础上利用规则化技术恢复三维物点信息。

本发明由于采用以上技术方案，相较于传统相位偏折术测量方案具有以下显而易见的突出特点和显著优点：

本发明采用双层LCD或LCos组成双层光平面调制器，采用时间编码的方法编码光场，对产生光场中每根光线都赋予了唯一的码字，从而方便相机的光线识别，相对于传统相位偏折术，本发明在法线信息计算上具有唯一性，不会出现法线求解的未知性问题，三维点云计算效率更高。

本发明中光线感知系统具有普通相机和光场相机两种模式，方便了针对不同物体采用不同拍摄模式方法的选择。

本发明在光场相机模式下，微透镜阵列下的像素同时具有角度信息和位置信息，根据角度和位置信息可唯一确定一条光线，无需要求光圈足够小，并且光场解码更为方便。由于像素具有角度信息，其对物体表面的高度变化相对于普通相机具有更高的响应特性，能够识别更微小的高度变化，使该系统具有更高的检测精度。

本发明操作简单，用户只需将待测物体放在相机视场内，不需要物体与系统摆放的位置精度，通过解码确定投射光场光线和感知光场光线的对应性，计算出法线信息具有唯一性，在此法线信息下通过规则化技术可恢复出待测物体表面点的三维坐标信息。

附图说明

图1为本发明的光场偏折术测量系统结构立体示意图。

图2为本发明的光场偏折术测量系统组成示意图。

图3为本发明的光场感知系统组成示意图。

图4为本发明的光场投射系统组成示意图。

图5为本发明的光场投射系统和外框的连接示意图。

图6为本发明的光场感知系统和光场投射系统的双显示器连接上盖板的连接示意图。

图7为本发明的应用方法流程图。

图8为本发明的待测物体表面点云计算示意图。

图9为本发明的双层光平面调制器（双显示器）显示调制图像效果及相机拍摄镜面物体表面反射调制图像效果。

具体实施方式

以下优选实施例结合附图本发明作进一步的说明。

实施例一：

1、参见图1~图6，本高反射物体表面光场偏折术测量系统,包括光场投射系统Ⅱ、光线感知系统Ⅰ，外框Ⅳ和待测物体Ⅲ；所述光场感知系统Ⅰ通过其中的一个相机角度调节板支撑5螺纹连接固定在光场投射系统Ⅱ中的一个双显示器连接上盖板12上；所述光场投射系统Ⅱ通过4个连接件6螺纹连接固定在外框Ⅳ上；所述待测物体Ⅲ放置在光场感知系统Ⅰ中的一个相机1视场和光场投射系统Ⅱ投射区域交集的区域。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述光场感知系统Ⅰ带有一个具有微小光圈的普通相机或者光场相机1，该相机1通过螺钉3固定在所述相机支撑板2上，相机支撑板2通过螺钉3固定在所述相机角度调节板4上，相机角度调节板4通过螺钉3固定在相机角度调节板支撑5上；通过相机1拍摄待测物体Ⅲ表面反射的光线获得光场投射系统Ⅱ投射的光场。

所述光场投射系统Ⅱ：一个前显示器9插置在一个前显示器左卡槽7和一个前显示器右卡槽13中，该两个卡槽9和13通过螺钉3固定在一个双显示器连接上盖板12和一个双显示器连接下盖板11上；一个后显示器10插置在一个后显示器左卡槽8和一个后显示器右卡槽14中，该两个卡槽8和14通过螺钉3固定在一个双显示器连接上盖板12和一个双显示器连接下盖板11上，在侧面；所述前显示器左卡槽7、前显示器右卡槽13、后显示器左卡槽8和后显示器右卡槽14由螺钉3固定在所述连接件6上构成两层平面调制器；所述前显示器10和后显示器9可通过LCD或者LCos实现对光线亮度的调制，前显示器10只有LC层，后显示器9同时具有LC层和背光光源，前后两个显示器9和10分时显示调制图像，通过时间编码法对显示器发出的光线进行编码，赋予投射光场中的每根光线唯一的标识。

所述普通相机是具有微小光圈的普通相机，对高反射物体反射的光场进行成像，每个像素对应于空间中的一根光线。

所述光场相机是微透镜阵列式的空间复用型光场相机，在大光圈下可对空间光线实现采集，每个像素对应空间中的一根光线。

所述两层平面调制器的前后两个显示器9和10距离应保证在20mm-50mm之间，保证了编码光场的精度。

实施例三：

参见图7~图9，本高反射物体表面光场偏折术测量系统和方法，利用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：首先通过分时方法编码投射光场，前显示器显示调制图像，后显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息，后显示器显示调制图像，前显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息；其次通过对两次拍摄获得的待测物体表面的相位信息进行处理，确定两次获得的相位信息在待测物体上的对应性；最后通过对应性确定通过待测物体表面点的反射光线和入射光线的对应性；根据入射光线和反射光线求交计算恢复出三维物点，或者在法线信息的基础上利用规则化技术恢复三维物点信息。

实施例四：

参见图1、2、5和6，本高反射物体表面光场偏折术测量系统,用于高反射物体表面的三维测量，系统采用光线反射原理获取高反射物体表面的法线信息,继而获得曲面信息，其特征在于：系统包括光场投射系统Ⅱ、光线感知系统Ⅰ，外框Ⅳ和待测物体Ⅲ；所述光场感知系统Ⅰ通过相机角度调节板支撑5螺纹连接固定在光场投射系统中的双显示器连接上盖板12上；所述光场投射系统Ⅱ通过连接件6螺纹连接固定在外框Ⅳ上；所述待测物体Ⅲ放置在相机1视场和光场投射系统Ⅱ投射区域交集的区域即可。

参见图3和4，所述光场感知系统，是具有微小光圈的普通相机或者光场相机1，相机1通过螺钉3固定在相机支撑板2上，相机支撑板2通过螺钉3固定在相机角度调节板4上，相机角度调节板4通过螺钉3固定在相机角度调节板支撑9上；通过相机1拍摄待测物体Ⅲ表面反射的光线获得光场投射系统Ⅱ投射的光场。

参见图2、4和5，所述光场投射系统，前显示器9放置在前显示器左卡槽7和前显示器右卡槽13中，两个卡槽9，13通过螺钉3固定在双显示器连接上盖板12和双显示器连接下盖板11上；后显示器10放置在后显示器左卡槽8和后显示器右卡槽14中，两个卡槽8，14通过螺钉3固定在双显示器连接上盖板12和双显示器连接下盖板11上，在侧面，前显示器左卡槽7、前显示器右卡槽13、后显示器左卡槽8和后显示器右卡槽14由螺钉3固定在连接件6上；所述前显示器10和后显示器9可通过LCD或者LCos实现对光线亮度的调制，前显示器10只有LC层，后显示器9同时具有LC层和背光光源，两个显示器插在前显示器左卡槽7、前显示器右卡槽13、后显示器左卡槽8和后显示器右卡槽14的卡槽中实现固定，两个显示器分时显示调制图像，通过时间编码法对显示器发出的光线进行编码，赋予投射光场中的每根光线唯一的标识。

工作过程和原理如下：

参见图7，根据所述应用方法，本发明测量待测物体表面工作过程和步骤：首先通过分时方法编码投射光场，前显示器显示调制图像，后显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息，后显示器显示调制图像，前显示器全白高亮显示，相机进行拍摄待测物体反射的图案，对相机拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息；其次通过对两次拍摄获得的待测物体表面的相位信息进行处理，确定两次获得的相位信息在待测物体上的对应性；最后通过对应性确定通过待测物体表面点的反射光线和入射光线的对应性，根据入射光线和反射光线求交计算恢复出三维物点，也可以在发现信息的基础上利用规则化技术恢复三维物点信息。

参见图8，待测物体表面点的坐标由入射光线和反射光线的交点表示，其中p3表示前显示器10上像素点、p4表示后显示器9上像素点、p表示待测物体Ⅲ表面点、p1表示相机1主透镜光心、p2表示相机1的CCD像素点。通过双层两纬度相移技术对双层光平面9和10调制器产生光场进行编码，赋予每根光线唯一的码字。光线的码字信息可由四维矩阵[u,v,s,t]表示，其中光线在后光平面调制器9坐标点由[u,v]表示，在前光平面调制器10坐标点为[s,t]表示。如图所示，点p4的坐标为[u0,v0],点p3的坐标为[s0,t0]，则此光线的码字信息为[u0,v0,s0,t0].反射光线由过相机1的CCD像素点和相机1的主透镜光心的直线表示（普通相机和光场相机均适用），如图所示点p3和p4的连线表示一条反射光线。待测物体Ⅲ表面点p的坐标由入射光线和反射光线的交点即可计算出来。

参见图9，双层光平面调制器9和10投射图像效果。其中，图a表示双层光平面调制器9和10原始成像效果、图b表示后光平面调制器9显示调制图像、图c表示前光平面调制器10显示调制图像、图d表示普通相机1拍摄经镜面反射‘后光平面调制图案’的图像、图e表示普通相机1拍摄经镜面反射‘前光平面调制器调制图案’的图像。

Claims (7)

1.一种高反射物体表面光场偏折术测量系统,包括光场投射系统（Ⅱ）、光线感知系统（Ⅰ），外框（Ⅳ）和待测物体（Ⅲ）；所述光场感知系统（Ⅰ）通过其中的一个相机角度调节板支撑（5）螺纹连接固定在光场投射系统（Ⅱ）中的一个双显示器连接上盖板（12）上；所述光场投射系统（Ⅱ）通过4个连接件（6）螺纹连接固定在外框（Ⅳ）上；所述待测物体（Ⅲ）放置在光场感知系统（Ⅰ）中的一个相机（1）视场和光场投射系统（Ⅱ）投射区域交集的区域。

2.根据权利要求1所述的一种高反射物体表面光场偏折术测量系统，其特征在于：所述光场感知系统（Ⅰ）带有一个具有微小光圈的普通相机或者光场相机（1），该相机（1）通过螺钉（3）固定在所述相机支撑板（2）上，相机支撑板（2）通过螺钉（3）固定在所述相机角度调节板（4）上，相机角度调节板（4）通过螺钉（3）固定在相机角度调节板支撑（5）上；通过相机（1）拍摄待测物体（Ⅲ）表面反射的光线获得光场投射系统（Ⅱ）投射的光场。

3.根据权利要求1所述的一种高反射物体表面光场偏折术测量系统，其特征在于：所述光场投射系统（Ⅱ）：一个前显示器（9）插置在一个前显示器左卡槽（7）和一个前显示器右卡槽（13）中，该两个卡槽（9，13）通过螺钉（3）固定在一个双显示器连接上盖板（12）和一个双显示器连接下盖板（11）上；一个后显示器（10）插置在一个后显示器左卡槽（8）和一个后显示器右卡槽（14）中，该两个卡槽（8，14）通过螺钉（3）固定在一个双显示器连接上盖板（12）和一个双显示器连接下盖板（11）上，在侧面；所述前显示器左卡槽（7）、前显示器右卡槽（13）、后显示器左卡槽（8）和后显示器右卡槽（14）由螺钉（3）固定在所述连接件（6）上构成两层平面调制器；所述前显示器（10）和后显示器（9）可通过LCD或者LCos实现对光线亮度的调制，前显示器（10）只有LC层，后显示器（9）同时具有LC层和背光光源，前后两个显示器（9,10）分时显示调制图像，通过时间编码法对显示器发出的光线进行编码，赋予投射光场中的每根光线唯一的标识。

4.根据权利要求2所述的高反射物体表面光场偏折术测量系统，其特征在于：所述普通相机是具有微小光圈的普通相机，对高反射物体反射的光场进行成像，每个像素对应于空间中的一根光线。

5.根据权利要求2所述的高反射物体表面光场偏折术测量系统，其特征在于：所述光场相机是微透镜阵列式的空间复用型光场相机，在大光圈下可对空间光线实现采集，每个像素对应空间中的一根光线。

6.根据权利要求2所述的双层光平面调制器，其特征在于：所述两层平面调制器的前后两个显示器（9,10）距离应保证在20mm-50mm之间，保证了编码光场的精度。

7.一种高反射物体表面光场偏折术测量方法，采用根据权利要求1所述的采用光场偏折术测量系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：首先通过分时方法编码投射光场，前显示器（10）显示调制图像，后显示器（9）全白高亮显示，相机（1）进行拍摄待测物体（Ⅲ）反射的图案，对相机（1）拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息，后显示器（9）显示调制图像，前显示器（10）全白高亮显示，相机（1）进行拍摄待测物体（Ⅲ）反射的图案，对相机（1）拍摄的图案通过相位恢复术获得待测物体表面的相位信息；其次通过对两次拍摄获得的待测物体（Ⅲ）表面的相位信息进行处理，确定两次获得的相位信息在待测物体（Ⅲ）上的对应性；最后通过对应性确定通过待测物体（Ⅲ）表面点的反射光线和入射光线的对应性；根据入射光线和反射光线求交计算恢复出三维物点，或者在法线信息的基础上利用规则化技术恢复三维物点信息。