CN109489586B - 基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法 - Google Patents

基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法 Download PDF

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Abstract

基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，先搭建离轴圆条纹投影测量系统，设计一种二维刻度尺；再生成一幅十字线图像，借助测量系统的投影单元对十字线图像投影，投影到二维刻度尺上，记录十字线图像中心在二维刻度尺上的十字线中心物理坐标和十字线中心像素坐标；然后借助测量系统的成像单元对二维刻度尺成像，选定成像点，记录成像点像素坐标及在二维刻度尺上的成像点物理坐标；最后由十字线中心物理坐标、成像点像素坐标、成像点物理坐标以及离轴圆条纹投影测量系统参数，建立方程，求解得到离轴圆条纹投影测量系统测量时采样圆条纹图的零相位点像素坐标；本发明有助于提高圆条纹投影轮廓术的三维测量性能。

Description

基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，具体涉及一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法。
背景技术
全场三维测量在质量检测、逆向工程、交互式设计、医疗、农业等领域有着越来越广泛的需求，国内外对于三维测量技术的研究也日益广泛，涌现出了一批特点各异的光学三维测量方法。圆条纹投影轮廓术是发明人所在团队近期提出的一种新型光学三维测量技术，为机械零部件等的高精度三维测量提供了一种新选择。但该技术高度重建采用反正切函数，因而在共轴布置时，采样圆条纹图零相位点存在测量盲区，其附近区域存在对噪声的放大效应，会显著降低测量精度。鉴于此，需要采用离轴布置方式实现圆条纹投影轮廓术，提高测量性能。但离轴圆条纹投影轮廓术的零相位点不在采样圆条纹图上，但其为高度求解的必须参量。因而，亟需解决离轴圆条纹投影轮廓术零相位点的求解问题。
由于圆条纹投影轮廓术是一种新型光学三维测量技术，相关研究并不广泛，离轴圆条纹投影轮廓术更是鲜有相关研究。针对上述问题的研究尚属空白，亟需进行。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，提高圆条纹投影轮廓术的三维测量性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建离轴圆条纹投影测量系统，实现离轴圆条纹投影测量系统相对位姿的精确调整；
步骤2：设计一种二维刻度尺，并且按照测量要求完成对其有效布置；
步骤3：通过软件编码生成一幅十字线图像，借助离轴圆条纹投影测量系统中的投影单元实现对所生成十字线图像投影，投影到二维刻度尺上，记录十字线图像中心在二维刻度尺上的物理坐标；
步骤4：借助离轴圆条纹投影测量系统中的成像单元对二维刻度尺成像，选定一个成像点，记录成像点像素坐标及在二维刻度尺上的成像点物理坐标；
步骤5：由十字线中心物理坐标、成像点像素坐标、成像点物理坐标以及离轴圆条纹投影测量系统参数，建立方程，求解得到离轴圆条纹投影测量系统测量时采样圆条纹图的零相位点像素坐标。
所述的步骤1中的离轴圆条纹投影测量系统，由投影单元和配置远心镜头的成像单元构成，投影单元光轴与成像单元光轴需要在空间上偏离一定距离，在成像单元视场位于投影单元视场内的前提下应使投影单元光轴尽可能远离成像单元光轴。
所述的步骤2的二维刻度尺需要满足：首先，能够高精度标识二维尺寸，零点清晰；其次，保证十字线中心能落到二维刻度尺上的同时至少有部分区域位于成像单元视场内；第三，用于零相位点求解时，二维刻度尺法线需要保证与投影光轴平行。
所述的步骤2的二维刻度尺通过各种设计软件进行设计，然后采用打印或机械加工方法制作。
所述的步骤3的十字线图像需要保证十字线中心与投影圆条纹图零相位点重合，设十字线中心在二维刻度尺上的物理坐标为(Xc0,Yc0)；假设成像单元视场足够大，十字线中心能够被成像单元成像，十字线中心像素坐标为(xc0,yc0)。
所述的步骤4的成像点任意选取。
所述的步骤4的成像点优先选用物理坐标容易精确估读的点；选定点的物理坐标基准需要和步骤3十字线中心物理坐标基准相统一，设成像点像素坐标为(xc,yc)、成像点物理坐标为(Xc,Yc)。
所述的步骤5的离轴圆条纹投影测量系统的零相位点像素坐标求解方程如下：
Figure BDA0001916517890000031
其中，β为远心镜头放大倍率，μc为成像芯片像素尺寸。
与共轴圆条纹投影轮廓术相比，本发明的有益效果为：本发明通过将投影系统光轴偏离相机视场，避免分束器的使用，降低系统调校难度，弥补现有共轴圆条纹投影轮廓术存在的零相位点区域测量精度严重衰减的不足；通过设计一种基于二维刻度尺的零相位点求解方法，解决离轴布置下圆条纹投影轮廓术零相位点缺失难题，提高圆条纹投影轮廓术的三维测量性能。
附图说明
图1为实施例的离轴圆条纹投影测量系统结构示意图。
图2为实施例设计二维刻度尺。
图3为实施例编码十字线图像及对应的圆条纹图。
图4为实施例投影到二维刻度尺上的十字线图像及其中心O，图中的矩形框所在区域为成像单元的视场。
图5为实施例成像单元采样得到的二维刻度尺图像及其上选定的成像点C。
图6为采用共轴圆条纹投影测量系统和离轴圆条纹投影测量系统对一个标准平面进行模拟测量时，添加相同噪声，得到的三维测量结果；图6(a)为共轴圆条纹投影测量系统的测量结果，图6(b)为离轴圆条纹投影测量系统的测量结果。
图7为实施例求得虚拟零相位点后对一个标准球进行实际测量得到的三维形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建离轴圆条纹投影测量系统，实现离轴圆条纹投影测量系统相对位姿的精确调整；如图1所示，图1所示为离轴圆条纹投影测量系统结构示意图，由投影单元和配置远心镜头的成像单元构成，而且投影单元光轴与成像单元光轴在空间上偏离了一定距离，这样做的目的是将相机采样视场避开投影仪光轴，从而保证投影圆条纹图的零相位点不在相机视场内，避免由于反正切函数的使用在采样图像零相位点及其附近区域带来的测量精度衰减，理论上讲，投影仪光轴与相机光轴可以不必平行，但保持平行有助于测量模型的简化；
步骤2：设计一种二维刻度尺，并且按照测量要求完成对其有效布置；如图2所示，图2为本实施例设计的一种二维刻度尺形状，为了便于测量基准的选用，以棱形标示了二维刻度尺坐标原点；为了便于读数，通常刻度尺尺度需要保持均匀，刻线清晰、疏密适宜；二维刻度尺可以通过各种设计软件进行设计，可以通过打印机等设备打印然后粘到一个标准平面上制作二维刻度尺，也可以采用机械加工等方法制作二维刻度尺；
这里的二维刻度尺形状布局不局限于图2样式，只需要满足以下要求即可：首先，能够高精度标识二维尺寸，零点清晰；其次，保证十字线中心能落到二维刻度尺上的同时至少有一部分区域位于成像单元视场内；第三，用于零相位点求解时，其法线需要保证与投影光轴平行；
步骤3：通过软件编码生成一幅十字线图像，借助离轴圆条纹投影测量系统中的投影单元实现对所生成十字线图像投影，投影到二维刻度尺上，记录十字线中心在二维刻度尺上的物理坐标，如图3所示，图3(a)为编码生成的十字线图像，图3(b)为对应的圆条纹图，十字线中心与圆条纹图零相位点重合；采用离轴圆条纹投影测量系统中的投影单元将图3(a)十字线图像投影到布置好的一个二维刻度尺上，其图像如图4所示，图4中左侧的矩形框为相机的大致视场范围，十字线中心为点O；可推得，在图1所示离轴圆条纹投影测量系统下，采样圆条纹图中不含零相位点，因而零相位点的求解成为一个新问题；设图4所示十字线中心O在二维刻度尺上的物理坐标为(Xc0,Yc0)；假设成像单元视场足够大，十字线中心能够被成像单元成像，十字线中心像素坐标为(xc0,yc0)；
步骤4：借助离轴圆条纹投影测量系统中的成像单元对二维刻度尺成像，选定一个成像点，记录成像点像素坐标及在二维刻度尺上的成像点物理坐标，如图5所示，图5为采用离轴圆条纹投影测量系统对二维刻度尺采样得到的图像，对应于图4中的左侧矩形框区域，从图5中选定一个成像点C，读取点C像素坐标及在二维刻度尺上的成像点物理坐标，设成像点像素坐标为(xc,yc)、成像点物理坐标为(Xc,Yc)，虽然图5中的点C可以任意选定，但为了提高(Xc,Yc)的估读精度，通常将其选在二维刻度尺的刻度线交点上。
为了展示离轴圆条纹投影测量系统相对于共轴圆条纹投影测量系统的优势，采用两种系统分别对600mm处的一个标准平面进行了模拟测量，测量中其它参量均一致且为理想值，采样圆条纹图相位中添加了均值为0、均方根误差为0.003rad的高斯噪声，重建得到的平面如图6所示，图6(a)为共轴圆条纹投影测量系统的测量结果，图6(b)为离轴圆条纹投影测量系统的测量结果，可见，离轴圆条纹投影测量系统有助于得到更优的测量结果。
步骤5：由十字线中心物理坐标、成像点像素坐标、成像点物理坐标以及其它离轴圆条纹投影测量系统参数，建立方程，求解得到离轴圆条纹投影测量系统测量时采样圆条纹图的零相位点像素坐标。
零相位点像素坐标求解方程如下：
Figure BDA0001916517890000071
其中，β为远心镜头放大倍率，μc为成像芯片像素尺寸。
假设β＝0.0930、23μc＝0.00375mm、(xc,yc)＝(457,514)、(Xc,Yc)＝(-104.14,22.86)、(Xc0,Yc0)＝(91.44,26.92)，那么由公式(1)可求得：
Figure BDA0001916517890000072
实施例采用上述方法进行零相位点求解后，对一个标准球进行了三维测量，测量结果如图7所示。
本发明能够有效克服共轴圆条纹投影三维测量中存在的测量精度衰减的不足，提高圆条纹投影轮廓术测量性能。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明基础上所做的任何修改、等同替换及拓展等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建离轴圆条纹投影测量系统，实现离轴圆条纹投影测量系统相对位姿的精确调整；
步骤2：设计一种二维刻度尺，并且按照测量要求完成对其有效布置；
步骤3：通过软件编码生成一幅十字线图像，借助离轴圆条纹投影测量系统中的投影单元实现对所生成十字线图像投影，投影到二维刻度尺上，记录十字线图像中心在二维刻度尺上的物理坐标；
步骤4：借助离轴圆条纹投影测量系统中的成像单元对二维刻度尺成像，选定一个成像点，记录成像点像素坐标及在二维刻度尺上的成像点物理坐标；
步骤5：由十字线中心物理坐标、成像点像素坐标、成像点物理坐标以及离轴圆条纹投影测量系统参数，建立方程，求解得到离轴圆条纹投影测量系统测量时采样圆条纹图的零相位点像素坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤1中的离轴圆条纹投影测量系统，由投影单元和配置远心镜头的成像单元构成，投影单元光轴与成像单元光轴需要在空间上偏离一定距离，在成像单元视场位于投影单元视场内的前提下应使投影单元光轴尽可能远离成像单元光轴。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤2的二维刻度尺需要满足：首先，能够高精度标识二维尺寸，零点清晰；其次，保证十字线中心能落到二维刻度尺上的同时至少有部分区域位于成像单元视场内；第三，用于零相位点求解时，二维刻度尺法线需要保证与投影光轴平行。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤2的二维刻度尺通过各种设计软件进行设计，然后借助打印或机械加工方法制作。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤3的十字线图像需要保证十字线中心与投影圆条纹图零相位点重合，设十字线中心在二维刻度尺上的十字线中心物理坐标为(Xc0,Yc0)；假设成像单元视场足够大，十字线中心能够被成像单元成像，十字线中心像素坐标为(xc0,yc0)。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤4的成像点任意选取。
7.根据权利要求5所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤4的成像点选用物理坐标容易精确估读的点；选定点的物理坐标基准需要和步骤3十字线中心物理坐标基准相统一，设成像点像素坐标为(xc,yc)、成像点物理坐标为(Xc,Yc)。
8.根据权利要求7所述的一种基于二维刻度尺的离轴圆条纹投影测量零相位点求解方法，其特征在于：所述的步骤5的离轴圆条纹投影测量系统的零相位点像素坐标求解方程如下：
Figure FDA0002372230750000031
其中，β为远心镜头放大倍率，μc为成像芯片像素尺寸。
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