CN113237437B - 一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法及装置。计算机模块将二值化或正弦条纹的编码参数输入投影模块，生成相应的条纹图案，再经位相编码元件调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案，投射到位于载物平台上的待测元件表面，相机模块采集由其反射的位相编码变形条纹图案，输入计算机模块，经数据处理得到待测元件表面的三维形貌分布。本发明利用位相编码元件有效地调制投影用二值化或正弦条纹，在保证轴向投影光场正弦一致性的基础上，极大地延拓了系统的投影成像景深；采用位相编码条纹相位解调算法，增强了所获得位相编码变形条纹图的对比度和正弦性，抑制包裹相位的解调误差，有效提升了三维形貌的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及三维形貌的测量技术，特别涉及一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法与装置，属于先进光学检测技术领域。
背景技术
在当今社会的诸多领域，如逆向工程、自动在线检测、质量控制、机器视觉、医学诊断等，经常需要对漫反射面物件的三维形貌进行快速、精确测量。传统而直接的检测工具为三坐标机，然而其接触式的工作方式存在划伤被测件的风险，且整个测试过程较长，尤其是对于尺寸较大的待测物体，检测效能不高。相比之下，光学类方法因其快速、非接触的优势，而逐步受到人们的青睐。其中，激光干涉仪可实现纳米量级精度的面检测，但只适用于表面变化简单的物体，轴向动态测量范围小，且对测试环境要求较高，不易实现在线检测。虽然扫描白光干涉仪可检测表面非连续的物体，但其横向和纵向的可测范围有限，且系统对外界振动较为敏感。
条纹投影轮廓术作为一种典型的结构光三维测量技术，具有系统结构简单、对外界环境要求不苛刻、测量动态范围大/精度高和速度快等优点，而常被应用于漫反射面物体三维形貌的检测。其测量系统通常由投影器、相机和计算机组成。早期的投影用条纹多以激光干涉、正弦光栅投影成像等方式形成。随着电子设备的迅猛发展，尤其是基于液晶显示（Liquid crystal display，LCD）、硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）、数字微镜元件（Digital micromirror device，DMD）技术投影仪的出现，测量用条纹的合成与控制变得更为便捷。正弦条纹相位恢复技术的引入，使得形貌复原精度与分辨率得到进一步提升。在条纹投影轮廓术的测量过程中，高保真度正弦条纹的快速投影显示是人们追求的目标之一，特别是对于一些高速动/瞬态测试场景意义重大。相比于另两种技术，DMD在刷新速率方面存在显著优势，因而成为高/快速结构光三维测量的优选投影方案。基于DMD的结构光投影器通常采用两种方式产生正弦条纹：二进制脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）、二值化条纹离焦投影。前者是将预投影的一幅灰度正弦条纹图基于PWM原理分解为N幅位图像，通过在一个“投影—成像”周期时间内积分N幅位图形成正弦条纹，N为灰度正弦条纹图的位深（Bit depth）；后者则是将一幅二值化条纹图，或借助扰动调制（Dithermodulation，DM）技术，利用投影镜头离焦带来的低通滤波效应形成正弦条纹。然而受限于投影成像镜头的有限景深，正弦条纹对比度会随着离焦量的增大而降低，影响轴向大范围三维形貌的高精度获取。虽然可以基于沙姆定律（Scheimpflug Principle）设计相应的投影成像镜头以延拓景深，但却存在斜投影成像带来的诸如镜头装配、附加相位畸变矫正等问题，且景深拓展范围依旧有限。基于双远心光路设计的投影成像镜头虽能避免斜投影成像的问题，但其投影成像倍率固定，且测量视场与镜头口径/体积之间相互制约。因此，如何在不显著增加系统体积和复杂度的情况下，在较大的轴向景深范围内实现高保真度正弦条纹的快速投影显示与获取，正逐步成为基于条纹投影的结构光三维测量领域的研究热点与趋势之一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，在不显著增加系统体积和复杂度的情况下，提供一种能在大轴向景深范围内实现高保真度正弦条纹的快速投影显示、获取与解算的结构光三维形貌测量方法与装置。
为实现上述发明目的技术解决是提供一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量装置，它包括投影模块、位相编码元件、载物平台、相机模块、数据传输控制线和计算机模块；所述的投影模块、参考平面与相机模块构成结构光测量三角光路，投影模块的光学子系统光轴与相机模块的光学子系统光轴相交于载物平台，投影模块和相机模块聚焦于载物平台上；所述位相编码元件位于投影模块出射光路上，投影模块出射的发散光场均匀覆盖位相编码元件；所述计算机模块经数据传输控制线分别与投影模块和相机模块连接，投影模块将计算机输入的条纹图案经位相编码元件投射到位于载物平台上的待测元件表面，经待测元件表面反射后由相机模块采集，通过数据传输控制线输入计算机模块；
所述的测量装置在测量工作状态时，计算机模块将二值化或正弦条纹的编码参数通过数据传输控制线传输至投影模块，生成相应的条纹图案，再经位相编码元件调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案，投射到位于载物平台上的待测元件表面，相机模块采集由待测元件表面反射的位相编码变形条纹图案，输入计算机模块，经数据处理得到待测元件表面的三维形貌分布。
本发明所述的位相编码元件包括奇对称型相位板、多层衍射光学元件、折-衍混合微光学元件、超透镜元件中的一种；所述的投影模块包括基于空间光调制器或光栅的投射器中的一种。
本发明技术方案还提供一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，包括如下步骤：
（1）测量装置的装调：将投影模块与相机模块分别通过数据传输控制线与计算机模块相连接，将投影模块的光学子系统光轴与相机模块的光学子系统光轴调整至相交于载物平台，形成结构光测量三角光路；将位相编码元件置于投影模块出射光路上，投影模块出射的发散光场均匀覆盖位相编码元件；调整投影模块和相机模块聚焦于参考平面上，且投影模块经位相编码元件在载物平台上的投射光场大小与相机模块在载物平台上的视场大小相匹配；将待测元件置于载物平台上投影模块和相机模块公共视场的中央区域；
（2）条纹图的投影与采集：基于结构光条纹三角法测量原理，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；利用星点法标定测量装置的点扩散函数；运用软件在计算机模块上设置二值化或正弦条纹的编码参数，将编码参数通过数据传输控制线传输至投影模块；投影模块依据编码参数生成相应的测量用条纹图案，经位相编码元件调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案，投射到待测元件表面，相机模块采集由待测元件表面反射的位相编码变形条纹图案，输入计算机模块；
（3）条纹图的解调与面形重构：依据步骤（2）中标定的测量装置的点扩散函数，采用位相编码条纹相位解调算法处理获得的位相编码变形条纹图案，计算得到相应的包裹相位；采用相位展开方法，得到与待测元件三维形貌相关的相位分布；依据步骤（2）中标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，经相位分布重构得到待测元件表面的三维形貌分布。
上述技术方案中，步骤（3）中所述的位相编码条纹相位解调算法，采用去卷积算法，依据步骤（2）中标定的测量装置的点扩散函数，获得对比度和正弦性增强的正弦变形条纹图，再利用包裹相位解调算法，处理得到相应的包裹相位分布。步骤（3）中所述的相位展开方法为空域相位展开、时域相位展开、空—时域混合相位展开中的一种。
上述技术方案中，所述的去卷积算法，采用基于数理模型滤波的去卷积算法、基于深度学习神经网络的去卷积算法、基于数理模型滤波—深度学习神经网络混合的去卷积算法中的一种。所述的包裹相位解调算法，采用包裹相位空域解调、包裹相位时域解调、包裹相位空—时域混合解调算法中的一种。
与现有技术相比，本发明的显著优点在于：
1.本发明提供的测量装置在不显著增加系统体积和复杂度的情况下，通过位相编码元件的使用，有效地调制二值化或正弦条纹，在保证轴向投影光场正弦一致性的基础上，极大地延拓了系统的投影成像景深，特别适合基于二值化条纹投影的结构光动态甚至瞬态三维测量。
2.本发明提供的测量方法，采用位相编码条纹相位解调算法，进一步增强了所获得位相编码变形条纹图的对比度和正弦性，抑制包裹相位的解调误差，有效提升了三维形貌的测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量装置的结构示意图。
其中：1.投影模块；2.位相编码元件；3.待测原件；4.载物平台；5.相机模块；6.数据传输控制线；7.计算机模块。
图2为现有条纹离焦投影与本发明实施例提供的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量装置所获正弦变形条纹图的结果对比；其中：（a）图为现有条纹离焦投影效果图；（b）图为本发明实施例提供测量装置的效果图。
图3为本发明实施例提供的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法的图像数据获取及处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
实施例1
参见附图1，它为本实施例提供的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量装置的结构示意图。该测量装置由投影模块1、位相编码元件2、载物平台4、相机模块5、数据传输控制线6和计算机模块7组成。投影模块1、载物平台4与相机模块5之间构成经典的结构光测量三角光路，投影模块1的光学子系统光轴与相机模块5的光学子系统光轴相交于载物平台4；位相编码元件2位于投影模块1出射光路上，正好被投影模块1出射的发散光场均匀覆盖；投影模块1与相机模块5均聚焦于载物平台4上，且投影模块1经位相编码元件2在载物平台4上的投射光场大小与相机模块5在载物平台4上的视场（Field of view，FOV）大小相匹配；计算机模块7经数据传输控制线6分别与投影模块1和相机模块5连接，并将二值化或正弦条纹的编码参数通过数据传输控制线6传输至投影模块1，由投影模块1根据编码参数生成相应的条纹图案，经过位相编码元件2调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案并投射到位于载物平台4上的待测元件3表面，由待测元件3表面反射的位相编码变形条纹图案被相机模块5采集并传输回计算机模块7，最后经数据处理得到待测元件3表面的三维形貌分布。
本实施例提供的测量装置，位相编码元件可以是奇对称型相位板、多层衍射光学元件、折-衍混合微光学元件、超透镜元件中的一种；在本实施例中，采用奇对称型相位板。
投影模块可选基于空间光调制器或者光栅的投射器中的一种；在本发明实施例中，采用基于空间光调制器的投射器。
参见附图2，（a）图为现有条纹离焦投影所获正弦变形条纹图，（b）图为本实施例提供的测量装置所获正弦变形条纹图，被测物为具有五台阶的物体。经对比显而易见，在不显著增加系统体积和复杂度的情况下，本发明通过位相编码元件的使用，有效地调制了原有的投影条纹，在保证轴向投影光场正弦一致性的基础上，极大地延拓了系统的投影成像景深。
采用附图1所示装置，本实施例提供一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其图像数据获取及处理流程如附图3所示，包括如下步骤：
（1）测量装置的装调：将投影模块1与相机模块5分别通过数据传输控制线6与计算机模块7相连接，调整投影模块1的光学子系统光轴与相机模块5的光学子系统光轴使得两者相交于载物平台4，形成经典的结构光测量三角光路；将位相编码元件2置于投影模块1出射光路上，使得正好被投影模块1出射的发散光场均匀覆盖；调整投影模块1与相机模块5使得均聚焦于载物平台4上，且投影模块1经位相编码元件2在载物平台4上的投射光场大小与相机模块5在载物平台4上的视场（Field of view，FOV）大小相匹配；将待测元件3置于载物平台4上，且位于投影模块1和相机模块5公共FOV的中央区域。
（2）条纹图的投影与采集：基于结构光条纹三角法测量原理，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；利用星点法标定出测量装置的点扩散函数（Point SpreadFunction，PSF）；在计算机模块7上使用配套开发的基于Python的图形用户界面（GraphicalUser Interface，GUI）软件设置二值化或正弦条纹的编码参数，并将其通过数据传输控制线6传输至投影模块1；而后投影模块1根据编码参数生成相应的测量用条纹图案，经位相编码元件2调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案并投射到待测元件3表面，由待测元件3表面反射的位相编码变形条纹图案被相机模块5采集并传输回计算机模块7。
（3）条纹图的解调与面形重构：结合步骤（2）中标定的测量装置PSF，采用位相编码条纹相位解调算法处理获得的位相编码变形条纹图案，计算得到相应的包裹相位；利用相位展开（Phase Unwrapping）技术，得到与待测元件3三维形貌相关的相位分布；根据步骤（2）中预先标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，由相位分布重构出待测元件3表面的三维形貌分布。
本实施例步骤（3）中的位相编码条纹相位解调算法，首先使用去卷积算法结合步骤（2）中标定的测量装置PSF获得对比度和正弦性增强的正弦变形条纹图，再借助包裹相位解调算法处理得到相应的包裹相位分布。
步骤（3）中采用的位相编码条纹相位解调算法中的去卷积算法，基于数理模型滤波（如Wiener 滤波、Richardson-Lucy滤波、交替方向乘子法ADMM等）的去卷积算法、基于深度学习神经网络的去卷积算法、基于数理模型滤波—深度学习神经网络混合的去卷积算法中的一种。在本发明实施例中，采用基于交替方向乘子法ADMM的去卷积算法。
步骤（3）中所述位相编码条纹相位解调算法中的包裹相位解调算法，采用包裹相位空域解调、包裹相位时域解调、包裹相位空—时域混合解调算法中的一种；在本发明实施例中，采用包裹相位时域解调算法。
步骤（3）中的相位展开技术为空域相位展开（Spatial Phase Unwrapping，SPU）、时域相位展开（Temporal Phase Unwrapping，TPU）、空—时域混合相位展开技术中的一种；在本发明实施例中，采用时域相位展开算法。
Claims (7)
1.一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：采用基于位相编码元件的结构光三维形貌测量装置实现，所述装置包括投影模块、位相编码元件、载物平台、相机模块、数据传输控制线和计算机模块；所述的投影模块、参考平面与相机模块构成结构光测量三角光路，投影模块的光学子系统光轴与相机模块的光学子系统光轴相交于载物平台，投影模块和相机模块聚焦于载物平台上；所述位相编码元件位于投影模块出射光路上，投影模块出射的发散光场均匀覆盖位相编码元件；所述计算机模块经数据传输控制线分别与投影模块和相机模块连接，投影模块将计算机输入的条纹图案经位相编码元件投射到位于载物平台上的待测元件表面，经待测元件表面反射后由相机模块采集，通过数据传输控制线输入计算机模块；
所述的测量装置在测量工作状态时，计算机模块将二值化或正弦条纹的编码参数通过数据传输控制线传输至投影模块，生成相应的条纹图案，再经位相编码元件调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案，投射到位于载物平台上的待测元件表面，相机模块采集由待测元件表面反射的位相编码变形条纹图案，输入计算机模块，经数据处理得到待测元件表面的三维形貌分布；
所述测量方法包括如下步骤：
（1）测量装置的装调：将投影模块与相机模块分别通过数据传输控制线与计算机模块相连接，将投影模块的光学子系统光轴与相机模块的光学子系统光轴调整至相交于载物平台，形成结构光测量三角光路；将位相编码元件置于投影模块出射光路上，投影模块出射的发散光场均匀覆盖位相编码元件；调整投影模块和相机模块聚焦于参考平面上，且投影模块经位相编码元件在载物平台上的投射光场大小与相机模块在载物平台上的视场大小相匹配；将待测元件置于载物平台上投影模块和相机模块公共视场的中央区域；
（2）条纹图的投影与采集：基于结构光条纹三角法测量原理，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；利用星点法标定测量装置的点扩散函数；运用软件在计算机模块上设置二值化或正弦条纹的编码参数，将编码参数通过数据传输控制线传输至投影模块；投影模块依据编码参数生成相应的测量用条纹图案，经位相编码元件调制后在轴向延拓的景深范围内形成标准正弦光场图案，投射到待测元件表面，相机模块采集由待测元件表面反射的位相编码变形条纹图案，输入计算机模块；
（3）条纹图的解调与面形重构：依据步骤（2）中标定的测量装置的点扩散函数，采用位相编码条纹相位解调算法处理获得的位相编码变形条纹图案，计算得到相应的包裹相位；采用相位展开方法，得到与待测元件三维形貌相关的相位分布；依据步骤（2）中标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，经相位分布重构得到待测元件表面的三维形貌分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：所述的位相编码元件包括奇对称型相位板、多层衍射光学元件、折-衍混合微光学元件、超透镜元件中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：所述的投影模块包括基于空间光调制器或光栅的投射器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：步骤（3）中所述的位相编码条纹相位解调算法，采用去卷积算法，依据步骤（2）中标定的测量装置的点扩散函数，获得对比度和正弦性增强的正弦变形条纹图，再利用包裹相位解调算法，处理得到相应的包裹相位分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：步骤（3）中所述的相位展开方法为空域相位展开、时域相位展开、空—时域混合相位展开中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：所述的去卷积算法，采用基于数理模型滤波的去卷积算法、基于深度学习神经网络的去卷积算法、基于数理模型滤波—深度学习神经网络混合的去卷积算法中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种基于位相编码元件的结构光三维形貌测量方法，其特征在于：所述的包裹相位解调算法，采用包裹相位空域解调、包裹相位时域解调、包裹相位空—时域混合解调算法中的一种。
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2021
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