CN106197322B - 一种面结构光三维测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面结构光三维测量系统，该系统将条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合在一起，采用复合迭代的算法，实现了不同粗糙度物体的三维表面形貌测量,包括漫反射物体、类镜面物体、镜面物体，克服了传统测量系统的测量对象单一的局限性。该系统主要由数字投影模块(DLP)、LCD显示屏、透镜、分束镜和CCD相机组成，结构紧凑，且仅采用一个透镜消除了系统采用条纹反射结构光照明时存在的系统多义性问题，可以更高精度测量不同粗糙度物体的三维表面形貌。本发明的主要增益：设计了一种可以高精度测量不同粗糙度物体三维表面形貌的面结构光三维测量系统。

Description

一种面结构光三维测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及面结构光三维测量技术领域，具体涉及一种面结构光三维测量系统。

背景技术

信息技术飞速发展的今天，快速、准确地获取现实生活中物体的三维信息已经成为产品快速设计、产品质量检测、医学诊断、文物鉴定、服装设计、自动导航以及虚拟现实系统等领域的关键问题。在此背景下，对三维面形测量技术的研究无疑具有重大的实用价值和广阔发展前景。相对于传统的接触式三维测量技术而言，基于光电技术、信息光学、计算机技术的非接触式光学三维测量技术具有非接触性、精度高的优点，因此更适合生产过程的在线实时检测。如在汽车车身、机械零部件、飞机外壳、轮机叶片等加工制造中实现高精度实时在线检测。此外，它可以避免对被测物体造成损伤，为文物保护和复原提供了新的方法。因此非接触式光学三维测量技术被人们誉为最有前景的三维面形测量方法。

常用的非接触式光学三维测量方法包括：激光三角法、摄影测量法、结构光法、干涉法等。其中面光束照明下的结构光技术，因其高精度，高效率，一直是光学三维测量及传感领域的研究热点。面结构光三维测量方法主要包括相位测条纹投影与条纹反射两种测量方法，其中条纹投影具有高精度、测量速度快等优点，它主要应用于漫反射物体的测量，而条纹反射是基于梯度测量的测量技术，具有高灵敏度、高精度、测量速度快等优点，对镜面物体具有很好的测量效果。

目前的三维测量产品虽然能做到高精度，高效率测量，但都只能测一类物体，适用领域有限，且体型较大，并不具备很好的便携性。本发明提出一种将条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合在一起的面结构光三维测量系统，可以实现不同粗糙度物体的三维表面形貌的高精度测量，包括漫反射物体、类镜面及镜面物体。该系统仅采用一个透镜消除了系统中条纹反射结构光照明时存在的系统多义性，通过加分束镜折叠光路方法优化了系统结构，体积较小，并采用远心镜头，低畸变，进一步提高了测量精度。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合的面结构光三维测量系统，现有技术利用条纹投影结构光投影，主要针对对象为漫反射物体，当待测物体为漫反射部分与镜面部分(或类镜面)的结合体时，此时待测物体表面粗糙程度差异大会造成其反射率呈一定梯度变化，镜面部分(或类镜面)的测量结果存在较大误差，从而不能够得到精确的形貌扫描结果。在本发明中，解决现有技术测量系统测试对象单一等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面结构光三维测量系统，包括

分束镜，用于光路折叠；

数字投影模块，将条纹投影结构光照射至待测物体表面；

LCD显示屏，通过分束镜将相对条纹投影结构光具有相移的条纹反射结构光照射至待测物体表面；

CCD相机，通过分束镜接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光；

处理模块，控制数字投影模块投影或LCD显示屏照明，并处理由CCD相机对应调制条纹反射结构光或调制条纹投影结构光反馈输出的图像数据。

上述方案中，所述的LCD显示屏依次通过透镜和分束镜将条纹反射结构光照射至待测物体表面。

上述方案中，所述的CCD相机的镜头选用远心镜头。

一种面结构光三维测量方法，包括如下步骤，

步骤1、控制数字投影模块和LCD显示屏分别对应投影具有相对相移的正弦条纹投影结构光和正弦条纹反射结构光至待测物体表面；

步骤2、由CCD相机接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光，分别获得变形投影条纹、变形反射条纹的光强度和相位；

步骤3、分别表示出变形投影条纹相位与待测物体高度关系，以及变形反射条纹与待测物体垂直方向、水平方向的梯度关系，再根据高度关系和梯度关系分别得出高度值和梯度值；

步骤4、根据Southwell格子模型的差分方程，求出复合迭代方程；

步骤5、由高度值和梯度值，分别按不同变形条纹光设置复合迭代方程的初始值，预置迭代终止条件，符合迭代终止条件时，输出结果分别作为待测物体形貌的高度信息和梯度信息。

上述方法中，所述的步骤2，

步骤2.1、采用N步相移法求解相位，由CCD相机接收被待测物体调制的第 n帧变形投影条纹或变形反射条纹表示为

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[φ(x,y)+α_n]

其中，A(x,y)为背景光强度，B(x,y)/A(x,y)表示条纹对比度，φ(x,y)为经物体调制的相位，α_n为相移大小，结合N幅条纹图；

步骤2.2、采用最小二乘法得出变形投影条纹或变形反射条纹的相位表达式

其中，相位φ(x,y)的取值范围为在截断处展开的(-π，π)。

上述方法中，所述的步骤3，

步骤3.1、采用条纹投影结构光照明时，待测物体的相位与高度关系可表示为

其中P₀为投影在参考平面上的等周期分布正弦条纹的周期，θ表示照明的方向，φ_CD表示计算出的相位差；

步骤3.2、采用条纹反射结构光照明时，基于梯度检测的原理，利用相移法与相位展开法得到物体的x、y两个方向的连续相位分布，待测物体两个方向梯度分布与相位分布的关系表示为

其中，g_x、g_y分别表示x,y方向的梯度，分别表示x,y方向的相位差， P_x或P_y为LCD显示屏上正弦条纹的周期，L_y为LCD显示屏到待测物体的距离。

上述方法中，所述的步骤4，

根据复合迭代法的基础模型

再表示为复合迭代方程：

Zⁿ＝Z^n-1+G^n-1

上式中n为迭代次数，Zⁿ表示第n次迭代之后所得的高度矩阵，初始高度矩阵Z⁰用条纹投影结构光照明时所得高度值代入。G^n-1为第n次迭代所使用的梯度矩阵，G⁰用条纹反射结构光照明时所得梯度值代入。

其中

上式中表示通过条纹反射技术所求得的梯度矩阵，该梯度矩阵称为原始梯度，保持不变，且当n＝0时，有而则表示第n次迭代所得高度值，再进行求导所获得的梯度矩阵，因此每次所得的矩阵都不同，该梯度称为迭代梯度；初始梯度矩阵t为衰减因子，且t>0。

上述方法中，所述的步骤5，

预置迭代终止条件为

max|Zⁿ-Z^n-1|<0.1μm

max|Zn-Zn-1|＜0.1μm

当满足阈值0.1μm，则迭代终止，复合迭代方程输出结果作为待测物体的高度信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中，若待测物为漫反射物体时，则直接将本发明复合迭代算法中的迭代修正参数为0，而当待测物为镜面物体时，则直接该算法中的初始高度值为0，并且这两类物体的测量不需要迭代，其突出的实质性特点和显著的进步在于，实现了符合现有技术的上位统一，也即是，现有技术的面结构光三维测量系统为本发明的一种特殊情况，突破了适用范围并提升了通用性；

本发明实现了不同粗糙度物体的三维表面形貌的高精度测量，包括漫反射物体、镜面以及类镜面物体，克服了传统系统测量对象单一以及传统条纹反射系统多义性消除时结构复杂的缺点，并且具有高灵敏度、高精度、非接触、结构紧凑，体积较小等优点。

附图说明

图1是面结构光三维测量系统原理图；

图2是本系统中条纹投影结构光照明的原理图；

图3是本系统中条纹反射结构光照明的原理图；

图4是本系统中条纹反射结构光照明时系统多义性消除的原理图。

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。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

一种面结构光三维测量系统，其特征在于：该系统包括用于结构光照明的数字投影模块(DLP)与LCD显示屏、接收图像的CCD相机、透镜、折叠光路的分束镜；该系统基于条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明两种照明方式，并将两者有机结合，实现了不同粗糙度物体的三维表面形貌的高精度测量，该算法将条纹投影结构光照明时所得的高度值作为迭代初始高度值，条纹反射结构光照明时所得的梯度值作为迭代修正参数进行复合迭代；其中，对于漫反射物体，直接将该算法中的迭代修正参数置为0，而对于镜面物体，则直接将该算法中的初始高度值置为0，因此这两类物体的测量不需要迭代；该系统具有结构紧凑、体积小，可以实现不同粗糙度物体三维表面形貌的高精度测量等优点。

利用计算机控制数字投影模块(DLP)与LCD显示屏分别投影含相移的正弦条纹，由CCD相机接收被物体调制的变形条纹。一般地，采用N步相移法求解相位，则CCD相机接收被物体调制的某帧变形条纹可表示为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[φ(x,y)+α_n]

其中，A(x,y)为背景光强度，B(x,y)/A(x,y)表示条纹对比度，φ(x,y)为经物体调制的相位，α_n为相移大小。结合N幅条纹图，采用最小二乘法即可得经物体调制的相位的表达式：

上式中，由于反正切函数的作用使得到的调制相位值处于(-π,π)，存在相位截断现象，需要对得到的截断相位进行展开才能得到连续的绝对相位分布。

当系统采用条纹投影结构光照明时，待测物体的相位与高度关系可表示为：

其中P₀表示投影在参考平面上的等周期分布正弦条纹的周期，θ表示照明的方向，φ_CD表示计算出的相位差。利用上述相位与高度的关系，即可重建出待测物体的三维表面形貌。

当系统采用条纹反射结构光照明时，由于它是基于梯度检测的原理，因此需分别投影x,y两个方向的相移正弦条纹，并利用相移法与相位展开法可以得到物体的x,y两个方向的连续相位分布。而物体两个方向梯度分布与相位分布的关系可表示为：

其中，g_x、g_y分别表示x,y方向的梯度，分别表示x,y方向的相位差，P_x或P_y为LCD显示屏上正弦条纹的周期，L_y为LCD显示屏到待测物体的距离。根据上述关系式即可求出两个方向的梯度分布，最后对所得梯度进行积分可以得到物体的三维表面形貌。

该系统将条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合在一起，通过复合迭代算法实现待测物体的三维表面形貌的测量。该复合迭代算法是在 Southwell格子模型所提供的差分方程基础上提出的，该算法中将条纹投影结构光照明时所得的高度值作为迭代初始高度值，条纹反射结构光照明时所得的梯度值作为迭代修正参数。因此算法能在确保高度数据准确的基础上，利用梯度数据进行迭代修正，在迭代过程中一方面能够对相位噪声进行平滑，另一方面还能恢复梯度数据中所包含的细节信息。复合迭代法的基础模型可表示为：

进一步表示为迭代方程：

Zⁿ＝Z^n-1+G^n-1

上式中n为迭代次数，Zⁿ表示第n次迭代之后所得的高度矩阵，初始高度矩阵Z⁰用条纹投影结构光照明时所得高度值代入。G^n-1为第n次迭代所使用的梯度矩阵，G⁰用条纹反射结构光照明时所得梯度值代入。

其中

上式中表示通过条纹反射技术所求得的梯度矩阵，该梯度矩阵称为原始梯度，保持不变，且当n＝0时，有而则表示第n次迭代所得高度值，再进行求导所获得的梯度矩阵，因此每次所得的矩阵都不同，该梯度称为迭代梯度；初始梯度矩阵t为衰减因子，且t>0。

迭代终止条件：

max|Zⁿ-Z^n-1|<0.1μm

当满足阈值，则迭代终止，即可得待测物体的高度信息。阈值的选取与测量精度有关系。

仅用采用一个透镜，消除了该系统中条纹反射结构光照明时存在的系统多义性问题。

CCD相机的镜头采用远心镜头，低畸变，当测量有高低差的物体时，大小不会改变。

采用分束镜进行折转光路，优化了系统结构，使得系统结构更加紧凑、体积较小。

实施例2

一种面结构光三位测量系统，实现了不同粗糙度物体三维表面形貌的高精度测量，克服了传统测量系统测量对象单一的缺点，并且具有高灵敏度、高精度、非接触、结构紧凑，体积较小等优点。下面将结合附图及具体实施方式对本发明的实施方案作进一步的描述，具体步骤如下：

步骤一：如图1搭建一套本发明设计的面结构光三维测量系统。为了实现不同粗糙度物体三维表面形貌的测量，该系统将条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合在一起；该系统主要包括用于结构光照明的数字投影模块(DLP) 与LCD显示屏、接收图像的CCD相机、消除系统多义性的透镜、折叠光路的分束镜等；采用条纹反射结构光照明时，系统的精度高达0.05μm。

步骤二：通过计算机控制数字投影模块(DLP)或LCD显示屏投影标准的相移正弦条纹，CCD相机接收被物体调制的变形条纹。本系统中采用的数字投影仪为LightCrafter^TM 4500，CCD相机型号是GT1660/C，分束镜的分光比为 50R/50T，透镜焦距为300mm,相机镜头为焦距55mm的远心镜头(Computar TEC-M55)；采用远心镜头可以减少畸变，进一步提高测量精度。

步骤三：图2为本系统中条纹投影结构光照明的原理图，由计算机控制数字模块投影相移正弦条纹，并由CCD相机接收被物体调制的变形条纹，对该变形条纹进行相位解析与相位展开即可得到物体的连续的相位分布，最后利用相位与高度的关系可以重建出待测物体的三维表面形貌信息。

步骤四：如图3为本系统中条纹反射结构光照明的原理图，由计算机控制分别生成x,y方向的正弦条纹经LCD显示屏显示，并由CCD相机接收被物体调制的变形条纹，对该变形条纹进行相位解析与相位展开得到待测物体连续的相位分布，再利用梯度与相位的关系求出待测物体的梯度分布，最后对所得梯度进行积分恢复出物体的三维表面形貌。

步骤五：如图3本系统中条纹反射结构光照明的原理图所示，采用条纹反射结构光照明时测量的相位不仅受到待测物体的梯度调制，还受到待测物体的高度调制，这就是系统多义性问题，会导致测量误差。本发明公开的一种面结构光三维测量系统仅采用一个透镜并将LCD显示屏置于其焦平面上，即可消除系统的多义性问题，该方法简单有效，克服了传统系统采用多个相机消除系统多义性的结构复杂性。

步骤六：本系统将条纹投影结构光照明与条纹反射结构光照明有机融合在一起，把条纹投影结构光照明所得的高度值作为迭代初始高度值，条纹反射结构光照明所得的梯度值作为迭代修正参数，进行复合迭代，即可得到待测物体的三维表面形貌信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面结构光三维测量系统，其特征在于，包括

分束镜，用于光路折叠；

数字投影模块，将条纹投影结构光照射至待测物体表面；

LCD显示屏，通过分束镜将相对条纹投影结构光具有相移的条纹反射结构光照射至待测物体表面；

CCD相机，通过分束镜接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光；

处理模块，控制数字投影模块投影或LCD显示屏照明，并处理由CCD相机对应调制条纹反射结构光或调制条纹投影结构光反馈输出的图像数据；

还包括透镜，所述的LCD显示屏依次通过透镜和分束镜将条纹反射结构光照射至待测物体表面。

2.根据权利要求1所述的一种面结构光三维测量系统，其特征在于，所述的CCD相机的镜头选用远心镜头。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的面结构光三维测量系统的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1、控制数字投影模块和LCD显示屏分别对应投影具有相对相移的正弦条纹投影结构光和正弦条纹反射结构光至待测物体表面；

步骤2、由CCD相机接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光，分别获得变形投影条纹、变形反射条纹的光强度和相位；

步骤3、分别表示出变形投影条纹相位与待测物体高度关系，以及变形反射条纹与待测物体垂直方向、水平方向的梯度关系，再根据高度关系和梯度关系分别得出高度值和梯度值；

步骤4、根据Southwell格子模型的差分方程，求出复合迭代方程；

步骤5、由高度值和梯度值，分别按不同变形条纹光设置复合迭代方程的初始值，预置迭代终止条件，符合迭代终止条件时，输出结果分别作为待测物体形貌的高度信息和梯度信息。

4.根据权利要求3所述的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，所述的步骤2，

步骤2.1、采用N步相移法求解相位，由CCD相机接收被待测物体调制的第n帧变形投影条纹或变形反射条纹表示为I_n(x，y)＝A(x，y)+B(x，y).cos[φ(x，y)+α_n]

其中，A(x，y)为背景光强度，B(x，y)/A(x，y)表示条纹对比度，φ(x，y)为经物体调制的相位，α_n为相移大小，结合N幅条纹图；

步骤2.2、采用最小二乘法得出变形投影条纹或变形反射条纹的相位表达式

其中，相位φ(x，y)的取值范围为在截断处展开的(-π，π)。