CN110411374B - 一种动态三维面形测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态三维面形测量方法及系统，包括：利用DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，同时将DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，获取数字微镜器件DMD的掩膜，在每个曝光周期T内，根据DLP投影设备的移相，使DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，不同编号的曝光元素依次曝光，得编码图像；根据曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从编码图像中提取r幅光栅图像，采用相移法对光栅图像进行解相，得光栅图像的相位主值；根据相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位；根据绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形。通过本发明上述方法实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率。

Description

一种动态三维面形测量方法及系统

技术领域

本发明涉及三维面形测量技术领域，特别是涉及一种动态三维面形测量方法及系统。

背景技术

随着工业技术信息化、智能化的发展，对空间三维信息的感知与处理已成为智能制造的发展趋势。与此同时，随着智能制造的升级与拓展，实现对形状与表面轮廓等三维面形的动态测量已成为迫切需要解决的问题。然而，当前的结构光三维扫描测量技术仍主要应用于静态物体或场景，测量速度与分辨率难以满足工业动态实时测量的需求，虽然不少学者利用单幅或多幅结构光图像重建算法对动态三维面形的测量进行了有益尝试，但这些方法依然存在着测量速度和测量精度之间的矛盾。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种动态三维面形测量方法及系统，提高测量系统的时间分辨率，实现动态三维面形测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种动态三维面形测量方法，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，所述三维面形测量方法包括：

利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量；

获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号；

在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像；

根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同；

采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值；

根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位；

根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形。

可选的，所述根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同，具体包括：

根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列；

根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

可选的，所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

一种动态三维面形测量系统，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，所述三维面形测量系统包括：

移相模块，用于利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量；

DMD掩膜获取模块，用于获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号；

编码图像获取模块，用于在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像；

光栅图像提取模块，用于根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同；

相位主值获取模块，用于采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值；

绝对相位确定模块，用于根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位；

待测表面的三维面形计算模块，用于根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形。

可选的，所述光栅图像提取模块，具体包括：

曝光元素升序单元，用于根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列；

光栅图像提取单元，用于根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

可选的，所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种动态三维面形测量方法及系统，基于数字微镜器件DMD的像素时域多路复用技术，设计合适的DMD掩模，即可将多幅光栅的相位信息嵌入到单幅编码图像中，然后结合基于多频外差相移技术，实现对动态场景的三维面形测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种动态三维面形测量方法的流程图；

图2为本发明实施例一种动态三维面形测量方法的原理示意图；

图3为本发明实施例采用三元素中值快速排序法对曝光元素作快速升序排列的流程示意图；

图4为本发明实施例三频外差原理示意图；

图5为本发明实施例解码原理示意图；

图6为本发明实施例一种动态三维面形测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种动态三维面形测量方法及系统，提高测量系统的时间分辨率，实现动态三维面形测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种动态三维面形测量方法的流程图，图2为本发明实施例一种动态三维面形测量方法的原理示意图，参见图1-图2，实施例一种动态三维面形测量方法，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，所述三维面形测量方法包括：

S1：利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量。

具体的，DLP投影设备依次向待测表面高速投射符合正弦规律且不同频率的条纹光栅16幅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔π/2进行连续移相，T＝2π，r＝4。

本发明实施例中选取了16幅条纹光栅，首先，采用四步相移法，需要采集4幅条纹光栅，DLP投影设备每完成一次四步相移(需4幅条纹光栅)，工业数字相机只采集1幅编码图像。因此，DLP投影设备需投影4×4＝16幅条纹光栅，工业数字相机最后才能采集到4幅编码图像。

S2：获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号。

具体的，本发明实施例中每个曝光组由编号为A、B、C和D的四个曝光元素组成。

S3：在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像。

本发明实施例中在DLP投影设备的每个(0,π/2)相移周期内，该DMD掩模中所有曝光组中编号为A的曝光元素同时曝光，且B、C和D三个曝光元素不被曝光；在DLP投影设备的每个(π/2,π)相移周期内，该DMD掩模中所有曝光组中编号为B的曝光元素同时曝光，而A、C和D三个曝光元素不被曝光；在DLP投影设备的每个(π,3π/2)相移周期内，该DMD掩模中所有曝光组中编号为C的曝光元素同时曝光，而A、B和D三个曝光元素不被曝光；在DLP投影设备的每个(3π/2,2π)相移周期内，该DMD掩模中所有曝光组中编号为D的曝光元素同时曝光，而A、B和C三个曝光元素不被曝光；且每当DLP投影设备完成一次四步相移，工业数字相机就采集一幅编码图像，这样该单幅编码图像中就同时包含了完整的四次光栅相位信息；

S4：根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

本发明实施例中从单幅编码图像中提取4幅高分辨率的带有不同相位信息的光栅图像I_A,I_B,I_C,I_D；

S4具体包括：

S401：根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列。

具体的，根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，对所有曝光组中相同位置的元素分别进行升序排列，例如将编号为A的元素进行升序排列，并对曝光元素依次标记上0,1,2,…n，其他三个编号相同方法排序并标记。

为实现对编码曝光后的曝光组中的曝光元素作快速升序排列，本发明实施例中采用三元素中值快速排序法，其流程如图3所示。

假设，包含有n个无序元素的数列用d_i表示，i＝1,2,3,…n，则算法步骤如下：

Step1：从数列d_i中任选三个元素d_j，d_k，d_m，比较这三个元素，并取其中间值d_i为枢轴元素。然后将其他所有元素与该枢轴元素d_i相比，把所有大于d_i的数据放在左子区间L_d＝{d₁,d₂,d₃,...d_i-1}中，所有小于d_i的数据放在右子区间R_d＝{d_i+1,d_i+2,d_i+3,...d_n}中，枢轴元素d_i的位置保持不变。

Step2：所有在子区间L_d和R_d的数据分别递归调用Step1，然后采用快速排序法实现对各子区间的每个元素的排序，直到各自区间数据的长度小于k，此时Step2停止执行。

Step3：剩余的左子区间和右子区间将分别执行插入法排序，所有剩余的数据将会与之前有序的数据比较以将其插入到数组中合适的位置，直到所有数据插入排序完成。

依次执行此算法步骤，即可快速实现对曝光元素的升序排序，为了得到合适大小的k值，需要计算新算法的平均时间复杂度。

传统的快速排序的平均时间复杂度可以表示为：

其中，T_o(i-1)和T_o(n-i)分别表示左子区间L_d和右子区间R_d的平均时间复杂度，当变量i从1执行到n时，式(1)中将会出现两个相同的T_o(0),T_o(1),T_o(2),...T_o(n-1)，因此式(1)又可以表示为：

对式(2)做移项和减法处理，可以得：

令

则式(3)可以表示为：

将递归法应用于式(4)，可以得到：

因此，传统的快速排序的平均时间复杂度又可以表示为：

类似地，当变量i从k执行到n时，快速排序法的平均时间复杂度可以表示为：

中值比较的平均时间复杂度可以表示为：

T₂(n)＝n (n＞1) (8)

插入法的平均时间复杂度可以表示为：

综上所述，三元素中值快速排序法的平均时间复杂度可以表示为：

定义函数f(n,k)表示上述两种方法的平均时间复杂度的差值，也即：

又因为

上式可以进一步表示为：

当导函数f′(n,k)＝0时，函数f(n,k)取得极值。因此，令

则式(11)可以表示为：

解不等式(12)，可得k≥7。此时，函数f(n,k)取得最大值，即当上述两种方法的平均时间复杂度差距最大时，三元素中值快速排序法的平均时间复杂度最小。因此，当各子区间数据长度小于7时，则将插入排序法应用于余下的数据排序中，此时该三元素中值快速排序算法的效果最佳。

S402：根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

具体的，本发明实施例利用双线性插值法，对曝光组中的各曝光元素进行插值，如图2所示，即先对像素值I_A0和I_A1之间两水平方向进行一阶线性插值，然后再在它们之间的垂直方向上进行一阶线性插值，这样通过对先后经历三元素中值快速排序和双线性插值法运算后的曝光组中的各曝光元素的灰度变化信息，即可从单幅编码图像中提取四幅高分辨率的带有不同相位信息的光栅图像I_A,I_B,I_C,I_D。

S5：采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值。

本发明实施例中运用四步相移法分别对四种频率的光栅图像组进行解相，得到每组光栅图像对应的相位主值

其中每组不同频率的光栅图像均包含带有π/2相移的光栅图像(共4幅图像)。

具体的，相移法中获得相位的过程分为两步：第一步通过相移法公式获得正弦条纹图的相位场主值，相移法公式得到的为锯齿形的相位场主值，值域位于(0,2π)区间；第二步为将相位场恢复为全场完整的相位场，即相位展开。

传统的四步相移法采集带有π/2相移的光栅图像，各图可以表示为：

I_A(m,n)＝I′(m,n)+I″(m,n)cos[θ(m,n)]，

I_B(m,n)＝I′(m,n)+I″(m,n)cos[θ(m,n)+π/2]，

I_C(m,n)＝I′(m,n)+I″(m,n)cos[θ(m,n)+π]，

I_D(m,n)＝I′(m,n)+I″(m,n)cos[θ(m,n)+3π/2]；

其中，I_A(m,n),I_B(m,n),I_C(m,n),I_D(m,n)为带有π/2相移的光栅图像，I′(m,n)为光栅条纹的背景值，I″(m,n)为调制强度，θ(m,n)为待求相位场。

对上述式子进行数学推导得：

对上式取反正切函数，可解相位得到相位主值：

上式是四步相移法的基本公式，由该式求出的

即为相位主值，但由于反正切函数的特性以及式中分子分母的正负，解算出的相位主值位于(0,2π)区间，因此下一步要对解算出的相位进行展开。

由该式求出的

即为相位主值，这里是根据上述公式对每一种频率对应的一组四步相移的光栅条纹图案I_A(m,n),I_B(m,n),I_C(m,n),I_D(m,n)(一组共四幅光栅条纹图案)进行相位主值求解。

S6：根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位。

本发明实施例中利用多频外差原理分别将S5中求得的相位主值叠加得到相位Φ₁₂、Φ₂₃、Φ₃₄，最后可得到在全场范围内只有一个周期的绝对相位Φ₁₂₃₄。具体说明如下：

多频外差叠加是将两种不同频率的相位函数

和

叠加得到一种频率更低的相位函数Φ₁₂(x)，λ₁,λ₂,λ₃分别为相位函数

Φ₁₂(x)的频率，其中λ₁₂可由公式解算得到：

λ₁₂＝|λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)|

依此类推，可由四种不同频率的相位主值分别叠加得到等效频率为λ₁₂、λ₂₃、λ₃₄的相位Φ₁₂、Φ₂₃、Φ₃₄，进一步将这三个相位主值叠加经相位展开后得到最终的绝对相位Φ₁₂₃₄。

多频外差的解相原理是将不同频率的光栅图像叠加进行解相的方法，最常用的是双频外差和三频外差，这里我们将其推广到四频外差解相。

先由双频外差原理分析，得到如下公式：

p₁n₁＝p₂n₂

n_i＝N_i+Δn_i,N_i∈Z

式中φ_i表示第i幅光栅条纹的包裹相位，N_i表示第i幅光栅条纹级数中的整数部分，Δn_i表示第i幅光栅条纹级数中的小数部分，由上式推导得：

在上式中，若能求出N₁-N₂，即能求出n₁与n₂，用

代表将φ_i展开后的相位，则由

可以求出

与

若节距分别为p₁与p₂的两个不同条纹相互叠加时，将形成节距为

的虚拟叠栅条纹，设其级数为n₁₂,整数部分为N₁₂,小数部分为Δn₁₂,则有数学推导可知：

当φ₂＞φ₁时，α＝1，当φ₂＜＜φ₁时，α＝0，由上式可以发现，将φ₁-φ₂的差值乘以因子

或

会使φ₁-φ₂的误差放大很多，进而会使所求的

与

产生很大的误差。

而

也可以表示成

采用该式来求解，可避开误差放大，其中N_i是整数级条纹，可以通过对n_i取整得到：

上式中floor()表示向下取整，则有：

通过选择合适的p₁与p₂，可以使叠栅条纹节距p₁₂覆盖整个视场，这里N₁₂＝0,则可由上式计算出

与

但为了使叠栅条纹节距p₁₂覆盖整个视场，需要选择较大的p₁与p₂，当p₁与p₂较大时则会使三维重建的结果细节特征模糊。

一般采用三频外差解相方法，如图4所示，由双频原理求得的

与

可知，如果能够求出叠栅条纹的整数部分N₁₂，则能求出

与

这里通过投影条纹第三条纹来解决，若其节距为p₃,则可以选择适当的p₁、p₂和p₃，使p₁₂＜p₃，p₁₂与p₃形成的虚拟叠栅条纹节距为p₁₂₃,其整数部分记为N₁₂₃，小数部分记为Δn₁₂₃,从而可知

N₁₂＝floor(n₁₂)

上式中Δn₁₂为叠栅条纹p₁₂的小数部分，为

当Δn₃＞Δn₁₂时，α＝1；当Δn₃＜＜Δn₁₂时，α＝0；若p₁₂₃可以覆盖整个视场，则N₁₂₃＝0，从而可以求得N₁₂，代入式中即可求得

与

推广到四频外差

(1)求解出每套条纹测量后的包裹相位图φ_w(m,n,t)；

(2)求相邻两套条纹的包裹相位图上同一点的相位差及2π的不连续数：

这里Δφ_w(m,n,t)指同一点(m,n)在第t套与第t-1套频率的包裹相位差，NINT操作是指四舍五入，下标w代表包裹相位，t＝2,3,…s，规定d(m,n,1)＝0，这里我们取t＝4，即可求得绝对相位ΔΦ₁₂₃₄。

S7：根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形。

本发明实施例中对绝对相位ΔΦ₁₂₃₄进行相位展开，根据与编码策略相对应的解码算法即可解算出动态高反光表面的三维面形变化。

采用拟合负指数展开相位，即只采用s,s-1,s-2,s-4,…s/2幅包裹相位值(s最大条纹数)，t＝1,2,4,….s/2，

其中，

U(φ₁,φ₂)＝φ₁-2πNINT(φ₁-φ₂)/(2π)

在理想情况下，φ_u(s)即是该点最终展开相位值，但在实际中，为了提高可靠性，我们将在中间的相位利用起来，即将中间的数据进行最小二乘拟合，得到拟合率：

φ_u即为该点最终展开相位。

按照上述技术求得的最终展开相位即为绝对相位φ_u，实际测量过程中每个相机图像平面上的一个像素点均可由该点的绝对相位值φ_u计算出其对应的投影仪图像平面上的一条直线。如图5所示，为具体绝对相位φ_u与确定待测面形的三维坐标信息。

假设在三维空间中任一点P的坐标为(X_W，Y_W，Z_W),点P在相机图像平面坐标系对应的坐标为p(u_c，v_c),由求得的绝对相位值φ_u(u_c，v_c),则对应于该点在投影仪像素平面上的一条直线坐标为：

其中，N为相移条纹的周期数，W为DLP投影设备在水平方向的分辨率。H为DLP投影设备在垂直方向的分辨率。由于极线约束性质，相机像素平面上的点p(u_c，v_c)在投影仪像素平面上的对应点p′(u_c，v_c)一定在对应的极线l′上。于是这样就建立了相机像素平面与DLP投影设备像素平面之间的关系，便可根据下式求得待测面形的三维坐标：

其中，s_c和s_p分别为相机与投影仪的比例因子，(u_c，v_c)，(u_p，v_p)分别为相机像素平面和DLP投影设备像素平面的坐标，M₁和M₂分别为相机标定得到的相机内参矩阵和外参矩阵。M₃和M₄分别为测量系统标定得到的DLP投影设备内参矩阵和外参矩阵。因此，由上式即可确定待测表面面形的三维坐标信息，其中的Z_W即为待测面形高度。

优选的，所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

本发明实施例借助数字微镜器件DMD的高速状态转换特性，通过像素时域多路复用技术将入射光的时间信息嵌入到编码图像中，提高测量时间分辨率，并结合多频外差相移技术，实现动态三维面形的测量。

本发明实施例将计算成像方法引入至结构光三维扫描测量中，基于像素时域多路复用与多频外差相移的动态三维面形测量方法，提高测量系统的时间分辨率，以有效解决被测表面的动态三维测量的难题。

本发明实施例提出的一种动态三维面形测量方法，可对具有高亮、类镜面、半透明表面、含局部镜面反射的混合表面以及其它无规则散射等高反光表面进行三维面形动态测量。

本发明实施例基于数字微镜器件DMD的像素时域多路复用技术在不改变原工业数字相机硬件结构的情况下，突破了普通工业数字相机采集速度的限制，可快速有效地提高成像系统的时间分辨率。利用基于数字微镜器件DMD的像素时域多路复用技术，设计合适的DMD掩模，即可将多幅光栅的相位信息嵌入到成像系统所采集的单幅编码图像中，在此基础上，结合基于多频外差相移的结构光三维测量技术，即可实现对动态场景的三维面形测量。

图6为本发明实施例一种动态三维面形测量系统的结构示意图，参见图6，一种动态三维面形测量系统，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，所述三维面形测量系统包括：

移相模块201，用于利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量。

DMD掩膜获取模块202，用于获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号。

编码图像获取模块203，用于在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像。

光栅图像提取模块204，用于根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

所述光栅图像提取模块204，具体包括：

曝光元素升序单元，用于根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列；

光栅图像提取单元，用于根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

相位主值获取模块205，用于采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值。

绝对相位确定模块206，用于根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位。

待测表面的三维面形计算模块207，用于根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形。

所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种动态三维面形测量方法，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，其特征在于，所述三维面形测量方法包括：

利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量；

获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号；

在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像；

根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同；

采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值；

根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位；

根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形；

所述根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同，具体包括：

根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列；

根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

2.根据权利要求1所述的动态三维面形测量方法，其特征在于，所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

3.一种动态三维面形测量系统，其中DLP投影设备用于向待测表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测表面反射后形成含有待测表面面形信息的反射光，所述反射光经过透镜组将待测表面场景成像在数字微镜器件DMD像面上，其特征在于，所述三维面形测量系统包括：

移相模块，用于利用所述DLP投影设备依次向待测表面投射多幅条纹光栅，并同时将所述DLP投影设备投射的条纹光栅每隔T/r进行连续移相，其中T表示数字微镜器件DMD的曝光周期，r表示每个曝光组中曝光元素数量；

DMD掩膜获取模块，用于获取数字微镜器件DMD的掩膜，记为DMD掩膜，所述DMD掩膜被划分为n个互不重叠的曝光组，每个曝光组含有r个曝光元素，同一曝光组中每个曝光元素有不同的编号，而相同位置的曝光元素在不同曝光组中具有相同的编号；

编码图像获取模块，用于在每个曝光周期T内，根据所述DLP投影设备的移相，使所述DMD掩膜中具有相同编号的曝光元素同时曝光，而不同编号的曝光元素依次曝光，实现逐像素编码曝光，得到编码图像；

光栅图像提取模块，用于根据各所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用像素快速提取与插值算法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同；

相位主值获取模块，用于采用相移法对各所述光栅图像进行解相，得到各所述光栅图像的相位主值；

绝对相位确定模块，用于根据所述相位主值，利用多频外差原理确定绝对相位；

待测表面的三维面形计算模块，用于根据所述绝对相位，采用解码算法计算待测表面的三维面形；

所述光栅图像提取模块，具体包括：

曝光元素升序单元，用于根据所述曝光组中曝光元素的灰度分布特征，采用三元素中值快速排序法对所述曝光组中的曝光元素作升序排列；

光栅图像提取单元，用于根据升序后曝光元素利用双线性插值法，从所述编码图像中提取r幅光栅图像，各所述光栅图像的相位不同。

4.根据权利要求3所述的动态三维面形测量系统，其特征在于，所述多幅条纹光栅至少为16幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。

Images