CN110672038A - 一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法 - Google Patents

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刘路
廖娟
陈向成
姜波
洪继龙
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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Abstract

本发明涉及三维测量技术领域，具体是一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，S1：搭建结构光三维测量系统，S2：利用计算机生成四幅双频相移条纹，并通过投影仪依次将所有双频相移条纹投射至被测物体表面，双频相移条纹经过被测物体表面形貌的调制，产生变形的双频相移条纹；S3：摄像机同步采集所有变形的双频相移条纹，并将所有变形后的双频相移条纹传输至计算机，分别求解出高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure DDA0002189715060000011
S4：利用低频相位
Figure DDA0002189715060000012
对高频相位φ(x,y)进行解包裹得到绝对相位Φ(x,y)；S5：通过步骤S4分别测量被测物体的绝对相位Φ1(x,y)和参考平面的绝对相位Φ2(x,y)，Φ1(x,y)减去Φ2(x,y)能够恢复被测物体的三维形貌信息，本发明只需要投射四幅双频相移条纹，有效提高三维测量速度，适用在线实时测量。

Description

一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法
技术领域
本发明涉及三维测量技术领域，具体是一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法。
背景技术
相位测量轮廓术具有非接触测量、成本低廉、准确快速等优点，一直是三维测量领域的研究热点，其系统工作原理如下：首先投影仪将条纹图案投射至物体表面，条纹由于物体轮廓调制发生变形；然后摄像机采集调制后的条纹图像，并把图像传送至计算机进行条纹分析，计算得到包含物体轮廓信息的绝对相位；最后根据三角测量原理完成相位到高度的转换，实现物体轮廓的三维测量。
相移法、傅里叶变换、小波变换是常用的条纹分析方法，其中相移法具有计算简单、鲁棒性强、准确性高等优点，比较适用于测量具有复杂形貌的物体。然而，上述几种条纹分析方法只能计算出条纹的截断相位，需要进一步地进行相位解包裹，恢复出物体的绝对相位。双频相移算法是比较常用的相位解包裹算法，其基本思想是计算两种不同频率的相位图，根据两者的约束关系，对高频相位进行解包裹。然而，传统双频相移算法一般需要投射五幅及以上条纹图案，测量速度较慢，不利于在线实时测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，
步骤S1：搭建结构光三维测量系统，包括投影仪、摄像机和计算机，所述投影仪和摄像机均与计算机通讯连接；
步骤S2：利用计算机生成四幅双频相移条纹，并将所有所述双频相移条纹传输至投影仪，投影仪依次将所有所述双频相移条纹投射至被测物体表面，所述双频相移条纹经过被测物体表面形貌的调制，产生变形的双频相移条纹；
步骤S3：摄像机同步采集所有变形的双频相移条纹，并将所有变形后的双频相移条纹传输至计算机，分别求解出高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure BDA0002189715040000021
步骤S4：利用低频相位
Figure BDA0002189715040000022
对高频相位φ(x,y)进行解包裹得到绝对相位Φ(x,y)；
步骤S5：通过步骤S4分别测量被测物体的绝对相位Φ1(x,y)和参考平面的绝对相位Φ2(x,y)，被测物体的绝对相位Φ1(x,y)减去参考平面的绝对相位Φ2(x,y)能够恢复出被测物体的三维形貌信息。
优选的，所述步骤S1中所有双频相移条纹的强度可分别表示为：
Figure BDA0002189715040000023
其中
Figure BDA0002189715040000027
表示四幅双频相移条纹的强度；p代表投影仪，(xp,yp)表示投影仪的像素坐标；Ap和Bp为常数，f1表示高频，f2表示低频。
优选的，所述步骤S2中，所有投影仪采集变形后的双频相移条纹，其强度可分别表示为：
Figure BDA0002189715040000025
其中I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)表示四幅变形后的双频相移条纹的强度；(x,y)表示摄像机的像素坐标；A(x,y)表示背景光强，B(x,y)表示调制光强；φ(x,y)表示高频相位，
Figure BDA0002189715040000026
表示低频相位。
优选的，所述步骤S3中，利用相移算法分别求解高频相位φ(x,y)和低频相位的计算公式如下：
Figure BDA0002189715040000032
优选的，所述步骤S4中，所述解包裹的过程包括有条纹级次k(x,y)计算和绝对相位Φ(x,y)计算，所述条纹级次k(x,y)的计算公式如下：
Figure BDA0002189715040000034
其中Round表示四舍五入函数；
优选的，所述绝对相位Φ(x,y)的计算公式如下：
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y).................. (6)
优选的，所述Ap和Bp的值均为0.5。
本发明通过改进在此提供一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
其一：本发明在保证三维测量精度的同时，只需要投射四幅双频相移条纹，所需要的条纹数目较少，有效地提高了三维测量的速度，测量速度更快，适用于在线实时测量。
其二：本发明所述方法采用四幅双频相移条纹图像，便可以计算得到两种不同频率的相位图，实现相位解包裹。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
图1为本发明的结构光三维测量系统图；
图2为本发明的四幅双频相移条纹的示意图；
图3为本发明的高频相位φ(x,y),低频相位
Figure BDA0002189715040000035
和绝对相位Φ(x,y)的示意图；
图4为本发明的高频相位φ(x,y),低频相位
Figure BDA0002189715040000041
和绝对相位Φ(x,y)的横截面曲线示意图；
图5为本发明的流程图；
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，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。
本发明通过改进在此提供一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，如图1-图5所示，本发明的技术方案是：一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，
步骤S1：搭建结构光三维测量系统，包括投影仪、摄像机和计算机，所述投影仪和摄像机均与计算机通讯连接，其中投影仪和计算机之间数据线连接，摄像机和计算机之间数据线连接，投影仪和摄像机之间用同步信号线连接，如图1所示；
步骤S2：利用计算机生成四幅双频相移条纹，并将所有所述双频相移条纹传输至投影仪，如图二所示，投影仪依次将所有所述双频相移条纹投射至被测物体表面，所述双频相移条纹经过被测物体表面形貌的调制，产生变形的双频相移条纹；
步骤S3：摄像机同步采集所有变形的双频相移条纹，如图2所示，并将所有变形后的双频相移条纹传输至计算机，利用相移算法分别求解出高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure BDA0002189715040000042
如图3所示；
步骤S4：利用低频相位
Figure BDA0002189715040000043
对高频相位φ(x,y)进行解包裹得到绝对相位Φ(x,y)，如图4所示；
步骤S5：通过步骤S4分别测量被测物体的绝对相位Φ1(x,y)和参考平面的绝对相位Φ2(x,y)，被测物体的绝对相位Φ1(x,y)减去参考平面的绝对相位Φ2(x,y)能够恢复出被测物体的三维形貌信息。
所述步骤S1中所有双频相移条纹的强度可分别表示为：
Figure BDA0002189715040000051
其中
Figure BDA0002189715040000052
表示四幅双频相移条纹的强度；p代表投影仪，(xp,yp)表示投影仪的像素坐标；Ap和Bp为常数，f1表示高频，f2表示低频。
所述步骤S2中，所有投影仪采集变形后的双频相移条纹，其强度可分别表示为：
其中I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)表示四幅变形后的双频相移条纹的强度；(x,y)表示摄像机的像素坐标；A(x,y)表示背景光强，B(x,y)表示调制光强；φ(x,y)表示高频相位，
Figure BDA0002189715040000054
表示低频相位。
所述步骤S3中，利用相移算法分别求解高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure BDA0002189715040000055
的计算公式如下：
Figure BDA0002189715040000056
Figure BDA0002189715040000057
其中高频相位φ(x,y)的取值范围是[-π,+π],低频相位
Figure BDA0002189715040000061
的取值范围是[-π/2,+π/2]。
所述步骤S4中，所述解包裹的过程包括有条纹级次k(x,y)计算和绝对相位Φ(x,y)计算，所述条纹级次k(x,y)的计算公式如下：
Figure BDA0002189715040000062
其中Round表示四舍五入函数；
所述绝对相位Φ(x,y)的计算公式如下：
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)..................(6)
所述Ap和Bp的值均为0.5，分别测量被测物体的绝对相位Φ1(x,y)和参考平面的绝对相位Φ2(x,y)，被测物体的绝对相位Φ1(x,y)减去参考平面的绝对相位Φ2(x,y)能够恢复恢复出被测物体的三维形貌信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
步骤S1：搭建结构光三维测量系统，包括投影仪、摄像机和计算机，所述投影仪和摄像机均与计算机通讯连接；
步骤S2：利用计算机生成四幅双频相移条纹，并将所有所述双频相移条纹传输至投影仪，投影仪依次将所有所述双频相移条纹投射至被测物体表面，所述双频相移条纹经过被测物体表面形貌的调制，产生变形的双频相移条纹；
步骤S3：摄像机同步采集所有变形的双频相移条纹，并将所有变形后的双频相移条纹传输至计算机，分别求解出高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure FDA0002189715030000016
步骤S4：利用低频相位对高频相位φ(x,y)进行解包裹得到绝对相位Φ(x,y)；
步骤S5：通过步骤S4分别测量被测物体的绝对相位Φ1(x,y)和参考平面的绝对相位Φ2(x,y)，被测物体的绝对相位Φ1(x,y)减去参考平面的绝对相位Φ2(x,y)能够恢复出被测物体的三维形貌信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
所述步骤S1中所有双频相移条纹的强度可分别表示为：
Figure FDA0002189715030000011
Figure FDA0002189715030000012
Figure FDA0002189715030000013
Figure FDA0002189715030000014
其中
Figure FDA0002189715030000015
表示四幅双频相移条纹的强度；p代表投影仪，(xp,yp)表示投影仪的像素坐标；Ap和Bp为常数，f1表示高频，f2表示低频。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
所述步骤S2中，所有投影仪采集变形后的双频相移条纹，其强度可分别表示为：
Figure FDA0002189715030000021
Figure FDA0002189715030000022
Figure FDA0002189715030000023
Figure FDA0002189715030000024
其中I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)表示四幅变形后的双频相移条纹的强度；(x,y)表示摄像机的像素坐标；A(x,y)表示背景光强，B(x,y)表示调制光强；φ(x,y)表示高频相位，
Figure FDA0002189715030000025
表示低频相位。
4.根据权利要求1所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
所述步骤S3中，利用相移算法分别求解高频相位φ(x,y)和低频相位
Figure FDA0002189715030000026
的计算公式如下：
Figure FDA0002189715030000027
Figure FDA0002189715030000028
5.根据权利要求1所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
所述步骤S4中，所述解包裹的过程包括有条纹级次k(x,y)计算和绝对相位Φ(x,y)计算，所述条纹级次k(x,y)的计算公式如下：
Figure FDA0002189715030000029
其中Round表示四舍五入函数；
6.根据权利要求5所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：
所述绝对相位Φ(x,y)的计算公式如下：
Φ(x,y)＝φ(x,y)+2πk(x,y)..................(6)
7.根据权利要求2所述的一种基于双频相移条纹投影的快速三维测量方法，其特征在于：所述Ap和Bp的值均为0.5。
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