CN107339954B - 基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法 - Google Patents

基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，由周期不同步条纹编码原理、周期不同步条纹解码原理、三维测量原理三大关键部分组成。本发明的优点是：(1)由于条纹级次的跳变部分容易出错，所以本发明中相位编码条纹比正弦条纹提前φ0(φ0＝(T2‑T1)/2)像素，使编码相位的跳变部分对应包裹相位的中间部分，最后条纹级次的跳变部分由其中间部分计算得到，避免了条纹级次跳变点出错的问题。(2)传统的正弦条纹与相位编码条纹周期相等时，条纹级次的判决困难。本发明中投影N个周期的相位编码条纹，2N(3N,4N...)个周期的正弦条纹，此时相位编码条纹频率降低，使条纹级次的判决准确，进一步提高了测量精度。

Description

基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法
技术领域
本发明涉及一种三维测量方法，尤其涉及周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法。
背景技术
条纹投影轮廓术由于非接触、高精度、全场无损耗测量、测量速度快、灵敏度高和自动化程度高等优点，在三维测量中具有重要意义。三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、黑白CCD2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；DLP投影仪1和黑白CCD2放在测量支架4上并分别通过数据线连接到工作站3；工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦后投射到参考平面5，由黑白CCD2采集条纹信息，经过工作站3处理后得到参考相位。然后将待测物体6放在相同位置，经过工作站3得到相应的变形条纹像，计算出相位，减去参考相位即得到由待测物体面形引起的相位变化，从而根据相位与物体表面形貌的对应关系进行三维重建。DLP投影仪1光轴和黑白CCD2光轴相交于O点。DLP投影仪1和黑白CCD2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l0。被测物体6的高度计算公式为：
其中f0为参考平面上的正弦条纹频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
在现代制造业中，工业产品必须具有精确的尺寸和外形，工业产品表面形貌的高精度三维测量显得尤为重要。三维测量在尺寸测量、缺陷检测、质量控制、逆求工程、机器视觉及生产过程中具有广泛应用。基于光学、图像处理和计算机视觉的光学三维测量方法已成为具有广阔应用前景的工业无损检测方法。随着科技的发展，人们对光学的方式测量物体的三维数据要求不断提高，重建精度的要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，传统的相位编码方法其正弦条纹与相位编码条纹的周期相等，随着条纹频率增大，条纹级次的判决变得困难且容易出错，产生错误的测量结果。本发明采用正弦条纹与相位编码条纹周期不相等的组合方法，增大了正弦条纹与编码相位的频率比，解决条纹级次可靠性不高的问题，提高了测量精度。
随着现代工业技术的飞速发展，实现物体表面形貌高精度的三维测量方法越来越受到广大研究者的重视。三维测量方法是现代制造业的关键基础技术之一，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，它为产品制造提供必需的三维数据。本发明提出的基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法在物体高精度工业化生产中将发挥重要作用。
本发明所述的一种基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法正是在这一背景下提出的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，此方法较传统的周期相等的正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，在测量精度上有明显提高，适合复杂物体的三维测量场合。
本发明是基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，其特征是：周期不同步条纹编码原理和周期不同步条纹解码原理。
(1)周期不同步条纹编码原理：正弦条纹的周期为T1，相位编码条纹周期为T2，本发明中以正弦条纹周期个数为2N，相位编码条纹周期个数为N为例说明，即取T2＝2T1，且相位编码条纹比正弦条纹提前φ0(φ0＝(T2-T1)/2)像素。相位编码条纹的相位平均分配于(-π，π]之间，像素点(x,y)的阶梯型编码相位可表示为：其中floor[x]是不大于x的最大整数，mod(x,y)是x除以y后的余数，N是一个分段上升阶梯中的阶梯数。
(2)周期不同步条纹解码原理：由四步相移法计算得到分段阶梯相位，将得到的分段阶梯相位连接起来得到连续的条纹级次k1(x,y)。利用连续的条纹级次k1(x,y)与包裹相位φ1结合求得与包裹相位相对应的条纹级次k2(x,y)：
当时：
当时：
然后通过解相位公式进行相位解包裹，最后利用相位-高度公式，得到物体表面每一点的高度信息。
本发明的优点是：由于条纹级次的跳变部分容易出错，而在每个台阶中间部分不容易出错，所以本发明中的相位编码条纹比正弦条纹提前φ0(φ0＝(T2-T1)/2)像素，使编码相位的跳变部分对应包裹相位的中间部分，最后得到条纹级次的跳变部分由其中间部分计算得到，避免了条纹级次跳变点出错的问题，提高了测量精度。(2)与传统的相位编码方法相比：在传统的相位编码方法中，即正弦条纹与相位编码条纹的周期相等的情况下，随着正弦条纹频率的增大，相位编码条纹的频率也随之增大，单个周期包含的像素数相应减少，编码相位边缘平滑的更严重，条纹级次的判决将变得困难且容易出错。本发明中投影N个周期的相位编码条纹，2N(3N,4N...)个周期的正弦条纹来实现表面形貌测量，由于此时相位编码条纹周期数减小，相位编码条纹频率降低，使条纹级次的判决准确，从而提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的三维测量系统示意图。
图2为本发明的四幅正弦条纹图。
图3为本发明的周期不同步编码条纹图。
图4为本发明的包裹相位与不同步条纹级次图。
图5为本发明的条纹级次k的确定准则。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，包括以下步骤：
(一)编写正弦条纹
实际测量通常采用四步相移法进行三维测量，则四幅正弦条纹图:
In(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ1(x,y)+π(n-1)/2](n＝1,2,3,4) (4)
其中，I'(x,y)是平均亮度，I”(x,y)是调制亮度，φ1(x,y)是待求相位。生成I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)四幅正弦条纹图，如图2所示。
(二)编写周期不同步的分段相位编码条纹
相位编码条纹的相位平均分配于(-π，π]之间，且相位编码条纹比正弦条纹提前φ0(φ0＝(T2-T1)/2)像素，T1为正弦条纹的周期，T2为相位编码条纹周期，像素点(x,y)的阶梯型编码相位可表示为：其中floor[x]是不大于x的最大整数，mod(x,y)是x除以y后的余数，N是相位编码条纹周期个数；
将编码相位嵌入四幅相位编码条纹中：
In(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ2(x,y)+π(n-1)/2](n＝1,2,3,4) (5)
其中，I'(x,y)是平均亮度，I”(x,y)是调制亮度，φ2(x,y)是待求相位。生成I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)四幅分段相位编码条纹图，如图3所示。
(三)采集图片
用投影仪依次投射上述生成的正弦条纹和周期不同步的分段相位编码条纹于参考面和物体上，用CCD采集这两组图片，将结果送入计算机中。
(四)三维重建
根据(一)结果，由四步相移法计算得到截断相位：
φ1(x,y)＝tan-1[(I2-I4)/(I1-I3)] (6)
根据(二)结果，由四步相移法计算得到不同步的分段阶梯相位：
φ2(x,y)＝tan-1[(I2-I4)/(I1-I3)] (7)
由于计算出来的分段阶梯相位是小数的，所以要将其量化成整数，得到分段的条纹级次k(x,y)，如图4所示，从而辅助进行相位解包裹。此外在进行相位解包裹的时候，要保证截断相位和条纹级次一一对应，所以要将分段条纹级次k(x,y)连接起来，最后得到的连续条纹级次k1(x,y)，如图5所示。
利用连续的条纹级次k1(x,y)与包裹相位φ1结合求得与包裹相位相对应的条纹级次k2(x,y)(如图5所示)：
当时：
当时：
根据上述方法，通过解相位公式：
Φ＝φ1+2k2π (8)
进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和带物体的连续相位值β。
通过公式：
得到物体连续相位差，从而利用相位-高度公式：
最后得到物体表面每一点的高度信息。

Claims (1)

1.基于周期不同步正弦条纹加相位编码条纹的三维测量方法，周期不同步原理包括周期不同步条纹编码原理和周期不同步条纹解码原理；其特征是：
(1)周期不同步条纹编码原理：正弦条纹的周期为T1，相位编码条纹周期为T2，以正弦条纹周期个数为2N，相位编码条纹周期个数为N为例说明，即取T2＝2T1，且相位编码条纹比正弦条纹提前φ0(φ0＝(T2-T1)/2)像素；相位编码条纹的相位平均分配于(-π，π]之间，像素点(x,y)的阶梯型编码相位可表示为：其中floor[x]是不大于x的最大整数，mod(x,y)是x除以y后的余数，N是相位编码条纹周期个数；
(2)周期不同步条纹解码原理：由四步相移法计算得到分段阶梯相位，将得到的分段阶梯相位连接起来得到连续的条纹级次k1(x,y)；利用连续的条纹级次k1(x,y)与包裹相位φ1结合求得与包裹相位相对应的条纹级次k2(x,y)：即当时，
当时，
通过解相位公式进行相位解包裹，最后利用相位-高度公式，得到物体表面每一点的高度信息。
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