CN111207692B - 一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，由间断阶梯相位编码原理、分段相位编码原理、互补型条纹级次校正原理以及三维测量原理四大关键部分组成。本发明的优点是：由于使用相位而不是强度编码的方式,对被测物体表面的对比度、环境光、相机噪声等因素不敏感，鲁棒性好，因此，该方法能够测量表面明暗程度不同的物体；通过分段的思想来增加了码字的数量，并且通过设计间断的阶梯相位来增加相邻的阶梯高度，能提高测量精度；经过两次左右相移后的条纹级次用来互补原始条纹级次的跳变，大大提高了解码的准确度，在测量复杂的工业产品三维形貌具有一定的应用前景。

Description

一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法

技术领域

本发明属于光电检测领域,尤其涉及一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法。

背景技术

条纹投影轮廓术具有高速、高精度、非接触、全场无损测量、自动化程度高等优势，在三维测量中已经被广泛使用应用于工业制造、人脸识别、生物医疗、虚拟现实等诸多领域。随着科技的发展，人们对三维测量的精度要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，学者们开始对条纹的类型、反射率、强度、对比度等进行研究，扩大测量范围，解决测量结果不理想的问题。由于基于相位编码而不是强度编码的方式而言，其对表面的对比度、环境光、相机噪声等不太敏感，鲁棒性好，因此，基于相位编码的方法可以用于测量表面具有不同明暗程度的物体，扩大了测量对象的范围。但是利用相位编码条纹求解的条纹级次在边缘处会有跳变，会影响三维测量的结果。N个级别的编码相位均匀分布在[-π,π]，呈升序排列，由于包裹相位周期须和相位编码周期相同，每一个相位用来确定一个码字。由于系统非线性，离焦等因素，相邻编码相位的差异太小无法保证码字的正确识别。相反，如果减少码字的数量，正弦条纹频率也会随之降低，进而会导致精度的下降。因此，在不降低投影条纹频率的情况下，尽可能的增加码字数量，提高测量精度成为三维测量一个亟待解决的问题。

本发明提出一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，此方法只需投射3帧正弦条纹和3帧间断阶梯相位编码条纹，可以产生比传统相位编码方法更多的码字，耗时短，从而提高测量精度，适合高速高精度工业测量场合。除此之外，传统的相位编码条纹级次在边缘出现跳变，很难校正，而本发明提出一种利用两次相移后条纹级次来互补原始条纹级次跳变的互补型条纹级次校正方法，提高了条纹级次判别的准确度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，此方法能够测量表面明暗程度不同的物体，与传统的相位编码方法相比，精度得到了明显提高，适合复杂、孤立物体的三维测量。

本发明的一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，包括以下步骤：

步骤一、利用计算机生成三幅正弦条纹和三幅间断阶梯相位编码条纹；

步骤二、将步骤一中生成的条纹通过投影仪依次投射到参考平面和物体上，使用相机采集投影到参考平面和物体上的三幅正弦条纹图和三幅相位编码条纹图并传输到计算机；

步骤三、利用所述的三幅正弦条纹图通过计算得到包裹相位，利用所述的间断阶梯相位编码条纹图通过计算得到条纹级次，进而求得参考平面和物体的连续相位值，最后通过相位-高度公式求得物体表面每一点的高度信息。

所述步骤一具体实施方式为：

a.利用计算机编写三幅正弦条纹，

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹图，

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位，生成I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)三幅正弦条纹图；

b.利用计算机编写三幅间断阶梯相位编码条纹，

升序排列的连续阶梯相位可以用下式表示，

其中，p是阶梯相位的每个阶梯的像素宽度，n为每一段中的阶梯个数，为了产生间断阶梯相位

将上式得到的升序排列的连续阶梯相位的偶次项置0，奇次项变成原来码字的一半，生成间断阶梯编码相位，根据实际需要，可以把整个测量区域分成m段，每一段的编码相位都由这种阶梯相位

构成。

将间断阶梯编码相位嵌入到三幅相位编码条纹中，

其中，A'(x,y)为平均亮度，B'(x,y)是调制亮度，

为待求相位，生成A₁(x,y)、A₂(x,y)、A₃(x,y)三幅间断阶梯相位编码条纹。

所述步骤三具体实施方式为：

根据a的结果，由三步相移法计算得到包裹相位，

根据b的结果，由三步相移法计算得到间断阶梯编码相位，

经过取整运算后得到最终的间断编码相位码字，

其中，为L为每段中的阶梯个数；

进而获取原始条纹级次k(x,y)，

k(x,y)＝round[C(x,y)] (7)

将原始条纹级次向左移动一个周期，得到左移条纹级次k₁(x,y)，将原始条纹级次向右移动一个周期，得到右移条纹级次k₂(x,y)；

最终的条纹级次可以通过下式获得，

K(x,y)＝2×k(x,y)+k₁(x,y)+k₂(x,y) (8)

根据上述方法，通过解相位公式，

进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和物体的连续相位值β，通过公式，

得到物体的连续相位差，从而利用相位-高度公式，

其中d为投影仪和相机之间的距离，l₀为投影仪和相机到参考平面的距离，最后得到物体表面每一点的高度信息。

本发明的优点是：

(1)由于使用相位编码而不是强度编码的方式而言，其对被测物体表面的对比度、环境光、相机噪声等不太敏感，鲁棒性好，因此，该方法能够测量表面明暗程度不同的物体；

(2)利用间断阶梯相位来增加相邻阶梯相位的高度差，并利用相移后条纹级次来互补原始条纹级次的跳变，使得解码准确性大大提高；

(3)根据实际测量需求，该方法可以产生更多的码字，测量精度高，鲁棒性好，在复杂、孤立物体的三维测量中具有潜在的应用前景和使用价值。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图；

图2为本发明的三幅正弦条纹图；

图3为本发明的间断阶梯编码相位图；

图4为本发明的三幅间断阶梯相位编码条纹图；

图5为本发明的条纹级次图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施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。

一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法的三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、CCD相机2、计算机3、测量支架4、参考平面5和待测物体6。DLP投影仪1和CCD相机2放在测量支架4上，DLP投影仪1、CCD相机2分别通过数据线连接计算机3，待测物体6放在参考平面5上，计算机3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件，DLP投影仪1光轴和CCD相机2光轴相交于O点，DLP投影仪1和CCD相机2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。

一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，包括以下步骤：

(一)通过计算机编写正弦条纹：

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹图：

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位。生成I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)三幅正弦条纹图，如图2所示。

(二)通过计算机编写间断阶梯相位编码条纹：

升序排列的连续阶梯相位可以用下式表示：

其中，p是阶梯相位的每个阶梯的像素宽度，n为每一段中的阶梯个数。

为了产生间断阶梯相位

将上式得到的升序排列的连续阶梯相位的偶次项置0，奇次项变成原来码字的一半，生成间断阶梯编码相位如图3所示。根据实际需要，可以把整个测量区域分成m段，每一段的编码相位都由这种阶梯相位

构成。

将间断阶梯编码相位嵌入到三幅相位编码条纹中：

其中，A'(x,y)为平均亮度，B'(x,y)是调制亮度，

为待求相位。生成A₁(x,y)、A₂(x,y)、A₃(x,y)三幅间断阶梯相位编码条纹图，如图4所示。

(三)采集图片

用DLP投影仪1依次投射上述生成的正弦条纹和间断阶梯相位编码条纹于参考平面5和待测物体6上，用CCD相机2采集这两组条纹图，将结果送入计算机3中。

(四)三维重建

根据(一)结果，由三步相移法计算得到包裹相位：

根据(二)结果，由三步相移法计算得到间断阶梯编码相位：

经过取整运算后得到最终的间断编码相位码字：

其中，为L为每段中的阶梯个数。

进而获取原始条纹级次k(x,y)：

k(x,y)＝round[C(x,y)] (7)

将原始条纹级次向左移动一个周期，得到左移条纹级次k₁(x,y)。将原始条纹级次向右移动一个周期，得到右移条纹级次k₂(x,y)。

最终的条纹级次可以通过下式获得，如图5所示：

K(x,y)＝2×k(x,y)+k₁(x,y)+k₂(x,y) (8)

根据上述方法，通过解相位公式：

进行相位解包裹，分别得到参考平面5的连续相位值α和待测物体6的连续相位值β。

通过公式：

得到待测物体6的连续相位差，从而利用相位-高度公式：

最后得到待测物体6表面每一点的高度信息。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种改进的分段阶梯相位编码三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用计算机生成三幅正弦条纹和三幅间断阶梯相位编码条纹；

步骤二、将步骤一中生成的条纹通过投影仪依次投射到参考平面和物体上，使用相机采集投影到参考平面和物体上的三幅正弦条纹图和三幅相位编码条纹图并传输到计算机；

步骤三、利用所述的三幅正弦条纹图通过计算得到包裹相位，利用所述的间断阶梯相位编码条纹图通过计算得到条纹级次，进而求得参考平面和物体的连续相位值，最后通过相位-高度公式求得物体表面每一点的高度信息；

所述的步骤一具体实施方式为：

a.利用计算机编写三幅正弦条纹，

实际测量通常采用三步相移法进行三维测量，则三幅正弦条纹，

其中，A(x,y)是平均亮度，B(x,y)是调制亮度，

是待求相位，生成I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)三幅正弦条纹；

b.利用计算机编写三幅间断阶梯相位编码条纹，

升序排列的连续阶梯相位可以用下式表示，

其中，p是阶梯相位的每个阶梯的像素宽度，n为每一段中的阶梯个数，为了产生间断阶梯相位

将上式得到的升序排列的连续阶梯相位的偶次项置0，奇次项变成原来码字的一半，生成间断阶梯编码相位，根据实际需要，可以把整个测量区域分成m段，每一段的编码相位都由这种阶梯相位

构成，将间断阶梯编码相位嵌入到三幅相位编码条纹中，

其中，A'(x,y)为平均亮度，B'(x,y)是调制亮度，

为待求相位，生成A₁(x,y)、A₂(x,y)、A₃(x,y)三幅间断阶梯相位编码条纹；

所述的步骤三具体实施方式为：

根据a的结果，由三步相移法计算得到包裹相位，

根据b的结果，由三步相移法计算得到间断阶梯编码相位，

经过取整运算后得到最终的间断编码相位码字，

其中，L为每段中的阶梯个数；

进而获取原始条纹级次k(x,y)，

k(x,y)＝round[C(x,y)] (7)

将原始条纹级次向左移动一个周期，得到左移条纹级次k₁(x,y)，将原始条纹级次向右移动一个周期，得到右移条纹级次k₂(x,y)；

最终的条纹级次可以通过下式获得，

K(x,y)＝2×k(x,y)+k₁(x,y)+k₂(x,y) (8)

根据上述方法，通过解相位公式，

进行相位解包裹，分别得到参考面的连续相位值α和物体的连续相位值β，通过公式，

得到物体的连续相位差，从而利用相位-高度公式，

其中d为投影仪和相机之间的距离，l₀为投影仪和相机到参考平面的距离，最后得到物体表面每一点的高度信息。

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