CN110500970B - 一种多频率结构光三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频率结构光三维测量方法，该三维测量设备主要包括载物平台、支撑杆、紧固支架、X轴滑轨、Y轴滑轨、光栅投影仪、摄像机、以及用于采集被测物图像的采集设备。该测量方法主要包括步骤S11：成像系统机械位置校准；步骤S12：设备标定步骤；步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算；步骤S21：触发摄像机、采集图像；步骤S22：相位解包裹；步骤S23：左右投影数据配准；步骤S24：根据点云进行三维重建。本发明采用高帧率DLP投影机，能有效提高投影光栅正弦性精度，同时提高光栅的投射效率，另一方面使用四步相移和五频率迭代算法计算物体三维坐标，可将精度提升到0.005mm。

Description

一种多频率结构光三维测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种多频率结构光三维测量设备及测量方法。

背景技术

三维形貌测量在工业、农业、生物医学、文物保护、逆向工程等领域有广泛的应用。主动式测量中的结构光测量技术因其固有的非接触、精度高、速度快、易于实现等优点受到越来越广泛的重视，而其中相位解包裹的方法是中外科研人员研究的热点和难点。现有的双频外差解相位方法，因受条纹光栅频率的限制，测量精度不高，单投影测量装置易受光照阴影的影响，而多目测量又会大幅增加了硬件成本和时间消耗。

因此，现有技术还需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多频率结构光的高精度、双投影三维测量装置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述测量装置的测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种多频率结构光三维测量设备，该三维测量设备主要包括载物平台、支撑杆、紧固支架、X轴滑轨、Y轴滑轨、光栅投影仪、摄像机、以及用于采集被测物图像的采集设备。所述载物平台固定设置。所述支撑杆的一端安装在载物平台上，另一端竖直向上延伸并与紧固支架连接。所述紧固支架设置在支撑杆上，与支撑杆滑动连接并可锁紧在支撑杆上。所述X轴滑轨固定在紧固支架上，并垂直紧固支架设置。所述摄像机朝下安装在X轴滑轨上，并分别与光栅投影仪和采集设备电连接。所述Y轴滑轨分别安装在紧固支架的两侧上，并关于X轴滑轨对称设置。所述光栅投影仪朝下分别安装在两侧的Y轴滑轨上，并与采集设备电连接。所述采集设备设为工控电脑或用于采集并分析图像的设备。

作为本发明的优选方案，所述紧固支架采用凸形结构设计，凸形的上部安装X轴滑轨，两侧安装Y轴滑轨。

进一步的，为了便于调节X轴滑轨的安装高度，从而方便调节摄像机的视野范围，本发明所述凸形上部还设有用于调节X轴滑轨安装高度的引导槽；所述引导槽设为两根，并排且竖直设置。所述X轴滑轨通过螺钉安装在引导槽上。

作为本发明的优选方案，所述光栅投影仪的光轴与摄像机光轴相交于载物平台，且二者之间的夹角小于30°。

作为本发明的优选方案，所述摄像机对载物平台的视野面积不大于60mm*70mm。

作为本发明的优选方案，所述摄像机采用高分辨率式面阵工业相机,其图像采集频率大于60Hz；所述摄像机采集延时小于6ms，且以每秒60张的速率采集图像；所述光栅投影仪使用高分辨率式DLP投影仪，其投射光栅频率最高为120Hz。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种多频率结构光三维测量设备的测量方法，所述测量方法主要包括步骤S1：设备初始化和步骤S2：测量工作两大部分，所述步骤S1包括如下具体步骤：

步骤S11：成像系统机械位置校准：调节紧固支架的高度，来改变摄像机的物距。调节摄像机镜头的焦距使待测物体清晰成像。调节光栅投影仪的位置、角度和焦距，使其在视野中心呈清晰、完整的像。

步骤S12：设备标定步骤：使用9*11圆心平板标定板进行设备标定，摄像机和光栅投影仪位置固定后，将标定板放置在摄像机视野范围内，左、右光栅投影仪依次投射光栅，触发摄像机获取两组图像。移动标定板至视野范围内5个不同的位置采集图像，将采集图像发送至主机进行标定计算。

步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算：将拍摄的图像转换成灰度图，找到标定图像中圆形，获取圆形参数，计算摄像机和光栅投影仪的内参、外参。

设备初始化后，设备可进行测量，所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21：触发摄像机、采集图像：将待测物体放置在摄像机视野中心位置，启动左、右投影依次投射光栅，同时触发摄像机采集图像，使用四步相移法，投射五频率光栅，单投影采集20张光栅图和1张白光图。

步骤S22：相位解包裹：使用多频率光栅迭代法计算出每个像素点的绝对相位值。

具体的，所述步骤S22采用四步相移法来抑制环境光和噪声的干扰，使用五频率迭代法来解相位，从而提高测量的精度，其具体步骤如下：

步骤S221：光栅投影仪投射正弦光栅到三维物体表面，摄像机摄取物体表面的变形条纹图，图像为：

I_n(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ_n(x,y)+2πn/N] (1)

其中：I_n(x,y)为该像素点的灰度值，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为光栅条纹增益,φ(x,y)为待求相位场，2πn/N为相移，采用四步相移，则n∈{0,1,2,3},N＝4；

步骤S222：计算包裹相位值：使用摄像机拍摄光栅图像，四步相移法同频率光栅可获得四幅图像，通过图像处理，获取图像每一像素的灰度值，同频率光栅同一像素点可获得四个灰度值，分别为I₀,I₁,I₂,I₃，由公式(2)

可计算出相位主值Φ(x,y)，其被包裹在(-π,π)的区间内，为了得到绝对相位需要进行解相位，又叫相位解包裹；

步骤S223：绝对相位计算原理：光栅投影仪向待测物体投射五频率光栅，光栅频率用f_i表示，分别为x⁰,x¹,x²,x³,x⁴，相应的光栅节距用p₀,p₁,p₂,p₃,p₄表示。其中x⁰＝1，当光栅频率f₀＝1时，相位主值等于绝对相位，n_i,i∈{0,1,2,3,4}为条纹的级数，有如下等式成立：

p_in_i＝p_jn_j,i,j∈{0,1,2,3,4} (3)

n_i＝N_i+Δn_i,N_i∈Z (4)

其中，Φ_i(x,y)是第i幅光栅条纹的包裹相位，N_i为条纹级数中的整数部分，Δn_i为条纹级数的小数部分，由公式

φ_i(x,y)＝2πN_i+Φ_i(x,y) (6)

可计算出绝对相位φ_i(x,y)；

步骤S224：计算绝对相位：当光栅频率f₀＝1时，节距p₀覆盖整个视场，有n₀＝Δn₀，n₀p₀＝n₁p₁，由(4)式可知

其中floor()表示向下取整，又由

和公式(5)得

由公式(6)和公式(8)可算出φ₁，如公式(9)所示

φ₁(x,y)＝2πN₁+Φ₁(x,y) (9)；

步骤S225：使用频率迭代法计算绝对相位：由等式(3)和等式(7)可得

则计算出φ₂，同理，经过4次迭代计算出绝对相位φ₄；

步骤S226：第五种条纹光栅的频率为x⁴，当x＝3时光栅的节距为1280/81个像素，可实现高精度测量。

步骤S23：左右投影数据配准：对左、右投影分别获取的物体三维信息进行配准、筛选，删除多余三维坐标，生成点云。

步骤S24：根据点云进行三维重建。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的多频率结构光三维测量设备及方法使用高帧率DLP投影机，能有效提高投影光栅正弦性精度，同时提高光栅的投射效率。

(2)本发明所提供的多频率结构光三维测量设备及方法采用双投影可有效消除阴影效应。

(3)本发明所提供的多频率结构光三维测量设备及方法使用高分辨率、高帧率、低延时摄像机，采集速率最高70Hz，可满足在线测量的要求。

(4)本发明所提供的多频率结构光三维测量设备及方法使用四步相移和五频率迭代算法计算物体三维坐标，可将精度提升到0.005mm。

附图说明

图1是本发明所提供的多频率结构光三维测量设备的结构示意图。

图2是本发明所提供的标定板样图。

图3是本发明所提供的三维测量总流程图。

图4是本发明所提供的设备操作流程图。

图5是本发明所提供的相位解包裹流程图。

上述附图中的标号说明：

1-载物平台，2-紧固支架，3-X轴滑轨，4-Y轴滑轨，5-光栅投影仪，6-摄像机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种多频率结构光三维测量设备，该三维测量设备主要包括载物平台、支撑杆、紧固支架、X轴滑轨、Y轴滑轨、光栅投影仪、摄像机、以及用于采集被测物图像的采集设备。所述载物平台固定设置。所述支撑杆的一端安装在载物平台上，另一端竖直向上延伸并与紧固支架连接。所述紧固支架设置在支撑杆上，与支撑杆滑动连接并可锁紧在支撑杆上。所述X轴滑轨固定在紧固支架上，并垂直紧固支架设置。所述摄像机朝下安装在X轴滑轨上，并分别与光栅投影仪和采集设备电连接。所述Y轴滑轨分别安装在紧固支架的两侧上，并关于X轴滑轨对称设置。所述光栅投影仪朝下分别安装在两侧的Y轴滑轨上，并与采集设备电连接。所述采集设备设为工控电脑或用于采集并分析图像的设备。

作为本发明的优选方案，所述紧固支架采用凸形结构设计，凸形的上部安装X轴滑轨，两侧安装Y轴滑轨。

进一步的，为了便于调节X轴滑轨的安装高度，从而方便调节摄像机的视野范围，本发明所述凸形上部还设有用于调节X轴滑轨安装高度的引导槽；所述引导槽设为两根，并排且竖直设置。所述X轴滑轨通过螺钉安装在引导槽上。

作为本发明的优选方案，所述光栅投影仪的光轴与摄像机光轴相交于载物平台，且二者之间的夹角小于30°。

作为本发明的优选方案，所述摄像机对载物平台的视野面积不大于60mm*70mm。

作为本发明的优选方案，所述摄像机采用高分辨率式面阵工业相机,其图像采集频率大于60Hz；所述摄像机采集延时小于6ms，且以每秒60张的速率采集图像；所述光栅投影仪使用高分辨率式DLP投影仪，其投射光栅频率最高为120Hz。

结合图3和图4所示，本发明还公开了一种多频率结构光三维测量设备的测量方法，所述测量方法主要包括步骤S1：设备初始化和步骤S2：测量工作两大部分，所述步骤S1包括如下具体步骤：

步骤S11：成像系统机械位置校准：调节紧固支架的高度，来改变摄像机的物距。调节摄像机镜头的焦距使待测物体清晰成像。调节光栅投影仪的位置、角度和焦距，使其在视野中心呈清晰、完整的像。

步骤S12：设备标定步骤：使用9*11圆心平板标定板进行设备标定，摄像机和光栅投影仪位置固定后，将标定板放置在摄像机视野范围内，左、右光栅投影仪依次投射光栅，触发摄像机获取两组图像。移动标定板至视野范围内5个不同的位置采集图像，将采集图像发送至主机进行标定计算。

步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算：将拍摄的图像转换成灰度图，找到标定图像中圆形，获取圆形参数，计算摄像机和光栅投影仪的内参、外参。

设备初始化后，设备可进行测量，所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21：触发摄像机、采集图像：将待测物体放置在摄像机视野中心位置，启动左、右投影依次投射光栅，同时触发摄像机采集图像，使用四步相移法，投射五频率光栅，单投影采集20张光栅图和1张白光图。

步骤S22：相位解包裹：使用多频率光栅迭代法计算出每个像素点的绝对相位值。

具体的，如图5所示，所述步骤S22采用四步相移法来抑制环境光和噪声的干扰，使用五频率迭代法来解相位，从而提高测量的精度，其具体步骤如下：

步骤S221：光栅投影仪投射正弦光栅到三维物体表面，摄像机摄取物体表面的变形条纹图，图像为：

I_n(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ_n(x,y)+2πn/N] (1)

其中：I_n(x,y)为该像素点的灰度值，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为光栅条纹增益,φ(x,y)为待求相位场，2πn/N为相移，采用四步相移，则n∈{0,1,2,3},N＝4；

步骤S222：计算包裹相位值：使用摄像机拍摄光栅图像，四步相移法同频率光栅可获得四幅图像，通过图像处理，获取图像每一像素的灰度值，同频率光栅同一像素点可获得四个灰度值，分别为I₀,I₁,I₂,I₃，由公式(2)

可计算出相位主值Φ(x,y)，其被包裹在(-π,π)的区间内，为了得到绝对相位需要进行解相位，又叫相位解包裹；

步骤S223：绝对相位计算原理：光栅投影仪向待测物体投射五频率光栅，光栅频率用f_i表示，分别为x⁰,x¹,x²,x³,x⁴，相应的光栅节距用p₀,p₁,p₂,p₃,p₄表示。其中x⁰＝1，当光栅频率f₀＝1时，相位主值等于绝对相位，n_i,i∈{0,1,2,3,4}为条纹的级数，有如下等式成立：

p_in_i＝p_jn_j,i,j∈{0,1,2,3,4} (3)

n_i＝N_i+Δn_i,N_i∈Z (4)

其中，Φ_i(x,y)是第i幅光栅条纹的包裹相位，N_i为条纹级数中的整数部分，Δn_i为条纹级数的小数部分，由公式

φ_i(x,y)＝2πN_i+Φ_i(x,y) (6)

可计算出绝对相位φ_i(x,y)；

步骤S224：计算绝对相位：当光栅频率f₀＝1时，节距p₀覆盖整个视场，有n₀＝Δn₀，n₀p₀＝n₁p₁，由(4)式可知

其中floor()表示向下取整，又由

和公式(5)得

由公式(6)和公式(8)可算出φ₁，如公式(9)所示

φ₁(x,y)＝2πN₁+Φ₁(x,y) (9)；

步骤S225：使用频率迭代法计算绝对相位：由等式(3)和等式(7)可得

则计算出φ₂，同理，经过4次迭代计算出绝对相位φ₄；

步骤S226：第五种条纹光栅的频率为x⁴，当x＝3时光栅的节距为1280/81个像素，可实现高精度测量。

步骤S23：左右投影数据配准：对左、右投影分别获取的物体三维信息进行配准、筛选，删除多余三维坐标，生成点云。

步骤S24：根据点云进行三维重建。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多频率结构光三维测量方法，其特征在于，所述测量方法包括步骤S1：设备初始化和步骤S2：测量工作两大部分，步骤S1包括如下具体步骤：

步骤S11：成像系统机械位置校准：调节紧固支架的高度，来改变摄像机的物距；调节摄像机镜头的焦距使待测物体清晰成像；调节光栅投影仪的位置、角度和焦距，使其在视野中心呈清晰、完整的像；

步骤S12：设备标定步骤：使用9*11圆心平板标定板进行设备标定，摄像机和光栅投影仪位置固定后，将标定板放置在摄像机视野范围内，左、右光栅投影仪依次投射光栅，触发摄像机获取两组图像；移动标定板至视野范围内5个不同的位置采集图像，将采集图像发送至主机进行标定计算；

步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算：将拍摄的图像转换成灰度图，找到标定图像中圆形，获取圆形参数，计算摄像机和光栅投影仪的内参、外参；

设备初始化后，设备可进行测量，所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21：触发摄像机、采集图像：将待测物体放置在摄像机视野中心位置，启动左、右投影依次投射光栅，同时触发摄像机采集图像，使用四步相移法，投射五频率光栅，单投影采集20张光栅图和1张白光图；

步骤S22：相位解包裹：使用多频率光栅迭代法计算出每个像素点的绝对相位值；

步骤S23：左右投影数据配准：对左、右投影分别获取的物体三维信息进行配准、筛选，删除多余三维坐标，生成点云；

步骤S24：根据点云进行三维重建；

所述步骤S22采用四步相移法来抑制环境光和噪声的干扰，使用五频率迭代法来解相位，从而提高测量的精度，其具体步骤如下：

步骤S221：光栅投影仪投射正弦光栅到三维物体表面，摄像机摄取物体表面的变形条纹图，图像为：

I_n(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ_n(x,y)+2πn/N] (1)

其中：I_n(x,y)为该像素点的灰度值，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为光栅条纹增益,φ(x,y)为待求相位场，2πn/N为相移，采用四步相移，则n∈{0,1,2,3},N＝4；

步骤S222：计算包裹相位值：使用摄像机拍摄光栅图像，四步相移法同频率光栅可获得四幅图像，通过图像处理，获取图像每一像素的灰度值，同频率光栅同一像素点可获得四个灰度值，分别为I₀,I₁,I₂,I₃，由公式(2)

可计算出相位主值Φ(x,y)，其被包裹在(-π,π)的区间内，为了得到绝对相位需要进行解相位，又叫相位解包裹；

步骤S223：绝对相位计算原理：光栅投影仪向待测物体投射五频率光栅，光栅频率用f_i表示，分别为x⁰,x¹,x²,x³,x⁴，相应的光栅节距用p₀,p₁,p₂,p₃,p₄表示，其中x⁰＝1，当光栅频率f₀＝1时，相位主值等于绝对相位，n_i,i∈{0,1,2,3,4}为条纹的级数，有如下等式成立：

p_in_i＝p_jn_j,i,j∈{0,1,2,3,4} (3)

n_i＝N_i+Δn_i,N_i∈Z (4)

其中，Φ_i(x,y)是第i幅光栅条纹的包裹相位，N_i为条纹级数中的整数部分，Δn_i为条纹级数的小数部分，由公式

φ_i(x,y)＝2πN_i+Φ_i(x,y) (6)

可计算出绝对相位φ_i(x,y)；

步骤S224：计算绝对相位：当光栅频率f₀＝1时，节距p₀覆盖整个视场，有n₀＝Δn₀，n₀p₀＝n₁p₁，由(4)式可知

其中floor{}表示向下取整，又由

和公式(5)得

由公式(6)和公式(8)可算出φ₁，如公式(9)所示

φ₁(x,y)＝2πN₁+Φ₁(x,y) (9)；

步骤S225：使用频率迭代法计算绝对相位：由等式(3)和等式(7)可得

则计算出φ₂，同理，经过4次迭代计算出绝对相位φ₄；

步骤S226：第五种条纹光栅的频率为x⁴，当x＝3时光栅的节距为1280/81个像素，可实现高精度测量。

Images