CN111750803B - 一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其步骤为：①根据投影仪的DMD的菱形像素排布规律，将正弦条纹进行转换，并对转换后的正弦条纹使用不同大小的高斯滤波器进行处理；②在DMD平面生成理想正弦条纹；③分别求解步骤①中滤波后的正弦条纹与步骤②中的理想正弦条纹的均方根误差RMS，并将误差结果拟合成关于高斯滤波器大小的变化曲线；④确定最佳离焦程度；⑤对④中所确定的最佳离焦程度，通过实验在不同离焦程度下测量一个平板的平面度进行验证；⑥建立镜头离焦度与物距的函数模型，用以动态地实现三维测量。本发明在测量过程中动态地将投影仪进行适度离焦以投出更接近正弦的条纹，从而获得更好的点云测量精度。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉和先进制造与自动化领域，特别涉及一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法。
背景技术
条纹投影测量是计算机视觉和先进制造与自动化领域的重要研究内容，作为一种兼顾精度与效率的密集点云测量方法，具有非接触、视场大、成本低等特点，已被广泛研究并应用于各个领域，如逆向工程，质量检测，增强现实，模型试验，大型构件的制造等。条纹投影测量是目前较为可靠的复杂工件制造精度控制手段，因此，条纹投影系统的精度至关重要。
条纹投影测量系统通常由相机和投影仪组成，一般由一个投影仪投出灰度按正弦(余弦)规律变化的条纹图像到被测物体表面，通过相机拍摄经过物体表面调制后的变形条纹图案；然后，通过解相位获得表面上每个点的投影仪图像的像素坐标；最后，根据三角测量技术计算三维世界坐标。
在条纹投影系统中，由于投影光学特点与基础电子器件发展水平的差异，系统中的重要部件数字投影仪的性能成为了制约条纹投影测量系统性能提升的主要因素，投影条纹的质量直接影响解相位的精度，进而影响点云的精度。从投影仪离焦可以影响测量精度的现象着手分析，由于投影仪的分辨率有限，在生成条纹图像时，相当于对正弦函数进行采样。并且，由于所使用投影仪DMD为菱形阵列分布的特点，投出的条纹图案也并非严格意义的正弦条纹，因此，对投影仪进行适当离焦可以提高相位匹配的精度，进而影响三维点云测量的精度。
投影仪离焦现象可以通过点扩散函数建模为二维高斯函数，对空间图像的影响相当于一个高斯低通滤波器，可以有效的抑制由于投影仪分辨率采样叠加的高频分量，在高频出抑制较大，在低频处抑制较小。由于实际的条纹图像通常都是灰度值沿水平方向变化的垂直条纹，并且高斯函数具有各向同性，对图像的分析可以转化为一维问题。对于实际投出的图像，空域的采样相当于频域的周期延拓。另外，由于DMD的开口率不可能达到100％，会有不发光的区域，也加重了高频分量的成分。当投影仪适度离焦时，相当于在频域上加入高斯滤波器，有效的抑制了高频分量，使投射出的图案更接近理想的正弦图像，减少相位误差。但当离焦程度太大时，低频的分量被过度抑制，会损失条纹对比度，增大相位误差。
因此，通过建立对投影光学调焦过程的精确模型，开发基于动态调焦投影技术的条纹投影测量系统，可以丰富投影光学理论体系，提升条纹投影测量系统工业现场的应用价值，具有非常广阔的研究意义和应用前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，该方法对于条纹投影测量系统中投影仪镜头调焦导致测量精度变化的现象，提出在测量过程中动态地将投影仪进行适度离焦以投出更接近正弦的条纹，从而获得更好的点云测量精度。
为了实现上述目的，本发明的方案是：一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
①生成正弦条纹，根据投影仪的DMD的菱形像素排布规律，将正弦条纹进行转换，并对转换后的正弦条纹使用不同大小的高斯滤波器进行处理；
②按照DMD的菱形像素排布规律，使用正弦函数直接在投影仪像素平面生成符合菱形像素排布规律的理想正弦条纹；
③分别求解步骤①中滤波后的正弦条纹与步骤②中的理想正弦条纹的均方根误差RMS，并将误差结果拟合成关于高斯滤波器大小的变化曲线；
④通过③中拟合的变化曲线确定RMS最小的sigma的值，即最佳离焦程度；
⑤对④中所确定的最佳离焦程度，通过实验在不同离焦程度下测量一个平板的平面度进行验证；
⑥针对不同的测量物距，使用变焦镜头，确定投影仪调至最佳离焦程度时的镜头离焦度，建立镜头离焦度与物距的函数模型，用以动态地实现三维测量。
所述投影仪采用Texas Instruments公司生产的LightCrafter 4500投影仪。
所述步骤④确定最佳离焦程度的具体步骤是：
A、搭建条纹投影测量系统，确定不同离焦程度：在不同离焦程度下测量一个平板的平面度，将平板放置在距离投影仪不同深度的位置，然后进行对焦，在将其移回至标准工作距进行测量，该深度可以代表离焦程度，其余参数保持不变；
B、设计符合投影仪DMD菱形像素几何排列的规律的特殊图案判定不同位置投影仪是否精准聚焦，通过对实验中测量误差最小位置的特殊图案拍摄并沿着特定方向进行高斯拟合，将拟合值与仿真值进行对比判断与仿真分析一致，确定最佳离焦程度。
所述条纹投影系统工作距为500mm，在标准工作距处固定平面标定板，保持投影仪其他参数不变，调节投影仪镜头的离焦程度，分别使投影仪对焦350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、100mm、120mm处，测量平板点云，得到平面拟合RMS误差。
所述特殊图案为“十”字形和“X”字型。
本发明采用建模仿真配合实验验证，得到使测量误差最小的最佳离焦程度，以及针对不同物距的最佳离焦程度变化规律；采用变焦镜头实现对投影仪离焦程度的精确控制，根据实际物距自动调整离焦程度，实现高精度，高柔性的精密三维点云测量。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
如图所示：一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，包括如下步骤：
(1)首先使用四步相移法生成正弦条纹，为了后续分析，使用11×11个像素代替1×1个像素，然后根据LightCrafter4500投影仪的DMD的菱形像素排布规律，将正弦条纹进行转换，并对转换后的正弦条纹使用不同大小的高斯滤波器sigma进行处理。
(2)按照DMD的菱形像素排布规律，使用正弦函数直接生成在投影仪像素平面的理想条纹图案，使用11×11个像素代替1×1个像素，可以有效避免取样误差。
然后求解步骤(1)中滤波后的正弦条纹与步骤(2)理想条纹的像素均方根误差RMS，误差越小，代表离焦效果越好。并将误差结果RMS拟合为关于高斯滤波器sigma大小的变化曲线；
(3)搭建条纹投影测量系统，确定不同离焦程度：在不同离焦程度下测量一个平板的平面度，将平板放置在距离投影仪不同深度的位置，然后进行对焦，在将其移回至标准工作距进行测量，该深度可以代表离焦程度，其余参数保持不变；
上述条纹投影系统工作距为500mm。在标准工作距处固定平面标定板，保持投影仪亮度、曝光时间、条纹数等其他参数不变。调节投影仪镜头的离焦程度，分别使投影仪对焦350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、100mm、120mm处，测量平板点云，得到平面拟合RMS误差。
(4)设计符合投影仪DMD菱形像素几何排列的规律的特殊图案(“十”字形和“X”字型)判定投影仪是否精准聚焦，通过对实验中测量误差最小位置的特殊图案拍摄并沿着特定方向进行高斯拟合，将拟合值与仿真值进行对比判断与仿真分析一致，确定最佳离焦程度。
(5)投影仪使用变焦镜头，测量在不同物距下，当投影仪达到最佳离焦程度时镜头的离焦度，建立测量物距与镜头离焦度的关系函数。
(6)最后，实际测量过程中，首先投射一组条纹，通过解相位以及点云匹配确定初始物距，然后根据(5)的函数关系式，确定此时镜头的离焦度，镜头自动调焦，再次投射一组条纹，实现高精度的条纹投影测量。
本发明提出了一种基于动态调焦原理提高条纹投影测量精度的方法，并且定量地确定了最佳离焦程度，动态调焦模型可应用于当前各种条纹投影测量系统中(单目系统和双目系统)。本发明可以有效提高测量的精度，可以应用到实际的工业环境中去，为智能制造中的复杂曲面质量控制提供高精度高效率的测量手段。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施例，仅仅是解释本发明，并非因此限制本发明专利范围。对属于本发明技术构思而仅仅显而易见的改动，同样在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
①生成正弦条纹，根据投影仪的DMD的菱形像素排布规律，将正弦条纹进行转换，并对转换后的正弦条纹使用不同大小的高斯滤波器进行处理；
②按照DMD的菱形像素排布规律，使用正弦函数直接在投影仪像素平面生成符合菱形像素排布规律的理想正弦条纹；
③分别求解步骤①中滤波后的正弦条纹与步骤②中的理想正弦条纹的均方根误差RMS，并将误差结果拟合成关于高斯滤波器大小的变化曲线；
④通过③中拟合的变化曲线确定RMS最小的sigma的值，即最佳离焦程度；
⑤对④中所确定的最佳离焦程度，通过实验在不同离焦程度下测量一个平板的平面度进行验证；
⑥针对不同的测量物距，使用变焦镜头，确定投影仪调至最佳离焦程度时的镜头离焦度，建立镜头离焦度与物距的函数模型，用以动态地实现三维测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：所述投影仪采用Texas Instruments公司生产的LightCrafter 4500投影仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：所述步骤④确定最佳离焦程度的具体步骤是：
A、搭建条纹投影测量系统，确定不同离焦程度：在不同离焦程度下测量一个平板的平面度，将平板放置在距离投影仪不同深度的位置，然后进行对焦，在将其移回至标准工作距进行测量，该深度可以代表离焦程度，其余参数保持不变；
B、设计符合投影仪DMD菱形像素几何排列的规律的特殊图案判定不同位置投影仪是否精准聚焦，通过对实验中测量误差最小位置的特殊图案拍摄并沿着特定方向进行高斯拟合，将拟合值与仿真值进行对比判断与仿真分析一致，确定最佳离焦程度。
4.根据权利要求3所述的一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：所述条纹投影系统工作距为500mm，在标准工作距处固定平面标定板，保持投影仪其他参数不变，调节投影仪镜头的离焦程度，分别使投影仪对焦350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、100mm、120mm处，测量平板点云，得到平面拟合RMS误差。
5.根据权利要求3所述的一种基于动态调焦原理的条纹投影测量方法，其特征在于：所述特殊图案为“十”字形和“X”字型。
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