CN114923437A - 一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置 - Google Patents

一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置 Download PDF

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    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré

Abstract

本发明提供一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置，包括S1.生成相移量依次为
Figure DDA0003652705260000011
的六幅方波条纹图，得到编码条纹组。将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像。利用采集的所述待测物体返回的条纹图像，结合特定的六步相移计算公式对所述条纹图像进行相位解析，并通过相位图重建得到素数所述待测物体的三维数据。本发明只利用6幅相移条纹，完全解决10次以内的所有奇数次谐波的影响(在小离焦情况下，方波条纹的10次以上的谐波已经很小，基本可以忽略了，所以只剩下3,5,7,9次谐波的影响)。

Description

一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置。
背景技术
基于条纹结构光的三维测量是一种非接触式的测量方法，它具有很多优点，比如高精度以及高速度等。它广泛用于自动加工、高速在线检测、航空航天、物理仿形等领域。
通常情况下，商用的数字光学投影仪都有一定非线性问题存在，这会导致最后的三维测量结果有很大的误差，为了解决这个问题，业内提出了很多方法，其中二值离焦技术是一种常用的克服投影仪非线性的方法。这类方法通常是首先对标准正弦条纹图像进行二值编码(也就是用0和1来表示图像的每个像素值)，然后通过离焦投影，透射出接近标准正弦的条纹图像来进行后续的条纹结构光测量。二值离焦技术除了能解决投影仪非线性问题以外，还可以充分利用数字投影仪的特性，提高条纹透射的速度，继而提高三维测量的速度。
在众多二值离焦技术中，利用二值方波条纹是最早提出的方法，但是由于其需要调整整个系统的离焦量来达到合适的离焦程度才能有效工作(较大的离焦量才能使得方波条纹变化为接近与标准正弦条纹)，这使得其在实际应用中有很大的限制。为了突破这个限制，提高系统的工作景深，如今需要一种能够在小离焦量下也能很好解析方波条纹相位，从而降低三维测量的误差的离焦投影的三维测量方法。
现有技术一的技术方案
对偶三步相移法：
这种方法是在传统三步相移法的基础上改进而来的，它利用了两组三步相移法来配合工作，第二组三步相移条纹相较于第一组是整体进行了π/6的相移，所以该方法使用了6幅条纹来进行相位解析。因为方波条纹相较于标准正弦条纹而言，只包含有奇数次的高次谐波，而这部分高次谐波就是干扰其相位解析的主要原因。较大的离焦量可以有效地降低这部分高次谐波的信号强度，但是会限制系统的使用。而传统三步相移法只可以区除3,6,9次的高次谐波。如果考虑10次以内的谐波影响(在小离焦情况下，方波条纹的10次以上的谐波已经很小，基本可以忽略了)，那么还剩余5,7次谐波的影响不能被三步相移法去除。继而有学者通过理论分析，发现通过三步相移法进行相位解析后，剩余的相位误差可以表示为以下形式：
Figure BDA0003652705240000021
这里的B1，B5,B7分别表示的是1次，5次，7次谐波对应的信号强度，
Figure BDA0003652705240000022
代表相位，
Figure BDA0003652705240000023
代表第一组三步相移法产生的剩余相位误差。
可以看出剩余的相位误差是一个周期为π/3的函数，那么如果在配合一组整体相移了π/6的三步相移法，两组三步相移的结果进行平均，就可以有效地抵消掉原本的相位误差。这里给出另一组三步相移法产生的相位误差：
Figure BDA0003652705240000024
以及两者平均后，最后的相位误差：
Figure BDA0003652705240000025
可以看出后的相位误差，由于1/2，以及(B5+B7)/B1＜1的原因，会远远小于单组三步相移法的结果，
Figure BDA0003652705240000031
代表第二组三步相移法产生的剩余相位误差。
现有技术一的缺点
从最后的相位误差结果可以看出，5次以及7次谐波还是对最后的相位解析结果有影响，尽管已经降低了很多。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法及装置，只利用6幅相移条纹，完全解决10次以内的所有奇数次谐波的影响(在小离焦情况下，方波条纹的10次以上的谐波已经很小，基本可以忽略了，所以只剩下3,5,7,9次谐波的影响)。
本发明用了具有特征相移量的6幅二值方波条纹进行条纹投影测量，并配合特定六步相移计算公式理论上可以完全地消除方波条纹带来的10次以内的所有奇数次谐波的影响，与本领域内已有的最好的，同样使用6幅二值方波条纹的方法——对偶三步相移法相比，更好地抑制了5次和7次谐波对测量结果的影响，提高了三维测量的精度。
本发明采用如下技术方案：
一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法，包括以下步骤：
S1.生成相移量依次为
Figure BDA0003652705240000032
的六幅方波条纹图，得到编码条纹组；
S2.将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像；
S3.利用采集的六幅条纹图像，结合特定的六步相移计算公式对所述六幅条纹图像进行相位解析，并通过相位图重建得到素数所述待测物体的三维数据。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1中所述的六幅方波条纹图的生成公式为：
Figure BDA0003652705240000041
其中，Isquare为半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。
作为本发明的优选方案，所述步骤S3中所述的特定的六步相移计算公式为：
Figure BDA0003652705240000042
其中，
Figure BDA0003652705240000043
为对离焦方波条纹解析出的截断相位，I1～I6分别代表了采集到的相移量依次为
Figure BDA0003652705240000044
的受被测物体调制后的条纹图像。
一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量装置，包括至少一个处理器，至少一个执行离焦投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接，所述存储器储存有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。
本发明的有益效果：
本发明用了具有特征相移量的6幅二值方波条纹进行条纹投影测量，并配合特定六步相移计算公式可以完全地消除方波条纹带来的10次以内的所有奇数次谐波的影响，与本领域内已有的最好的，同样使用6幅二值方波条纹的方法——对偶三步相移法相比，更好地抑制了5次和7次谐波对测量结果的影响，提高了三维测量的精度。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法的流程示意图；
图2(a)-图2(d)为本发明实施例1所述的一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法中标准的方波条纹图像和离焦后的方波条纹图像，以及它们所对应的频谱图；
图3为本发明实施例1所述的一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法中使用的六步相移法对不同谐波的响应图；
图4(a)-图4(b)为本发明实施例1所述的一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法中使用的六步相移法与传统的对偶三步相移方法的对比实验结果；
图5为本发明实施例2所述的一种利用了实施例1所述的一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法的一种三维测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
实施例1
如图1所示，一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法，包括以下步骤：
S1：生成相移量依次为
Figure BDA0003652705240000051
的六幅方波条纹图，得到编码条纹组；
其中所述的方波条纹图像的生成公式为：
Figure BDA0003652705240000052
其中，Isquare为所述半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为所述半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。如图2(a)所示，为标准的方波条纹图像以及它对应的横截面图。如图2(b)所示，为其对应的频谱图。从频谱图可以看出，方波条纹除了0频以及需要的基频成分以外，只有奇数次的高次谐波成分存在。而在离焦作用下，高次谐波成分会被减弱，高于10次的谐波成分几乎可以忽略，同时条纹会愈加趋近于正弦条纹。如图2(c)-图2(d)所示。
其中，
Figure BDA0003652705240000061
六个相移量是通过精心设计，目的是为了配合后续的六步相移计算公式，达到完全抑制10次以内奇数次谐波的效果。
S2：将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集所述待测物体返回的条纹图像。
其中，所述待测物体返回的所述条纹图像为6幅相移依次为
Figure BDA0003652705240000062
的图像。
S3：利用采集的六幅条纹图像，结合提供的特定的六步相移计算公式对所述条纹图像进行相位解析，并通过相位图重建得到的所述待测物体的三维数据。
其中，所述的特定的六步相移计算公式为：
Figure BDA0003652705240000063
其中，
Figure BDA0003652705240000064
为离焦方波条纹解析出的截断相位，I1～I6分别代表了采集到相移量依次为
Figure BDA0003652705240000065
的受被测物体调制后的条纹图像。
将本发明提出的六步相移法看作为一个线性的正交滤波器，继而可以分析这个线性滤波器的频率响应特性。首先，根据相移量
Figure BDA0003652705240000066
以及配合的六步相移计算公式，可以得到该线性滤波器的冲缴响应函数为：
Figure BDA0003652705240000067
h(t)表示该线性滤波器的冲激响应函数，δ(t)表示冲激函数，i表示虚数单位，t表示时间。
再对其进行傅里叶变换，得到频率传递函数为：
Figure BDA0003652705240000071
H(w)表示频率传递函数，e表示自然常数，i表示虚数单位，w表示频率。
当w＝±3,±5,±7,±9时，H(w)＝0，故本方案提出的六步相移法可以完全抑制3，5，7，9次高次谐波的影响。为了更直观的展示这个结论，将|H(w)|展示在了图3中。从图中，可以明显看出3,5,7,9次的高次谐波都会被滤波。
本领域存在的与本方案接近的方法是对偶三步相移法，本方法与其相比，更好地抑制了5次和7次谐波对测量结果的影响，提高了三维测量的精度。对偶三步相移法是在传统三步相移法的基础上改进而来的，它利用了两组三步相移法来配合工作，第二组三步相移条纹相较于第一组是整体进行了π/6的相移，所以该方法使用了6幅条纹来进行相位解析。因为方波条纹相较于标准正弦条纹而言，只包含有奇数次的高次谐波，而这部分高次谐波就是干扰其相位解析的主要原因。较大的离焦量可以有效地降低这部分高次谐波的信号强度，但是会限制系统的使用。而传统三步相移法只可以去除3,6,9次的高次谐波。如果考虑10次以内的谐波影响(在小离焦情况下，方波条纹的10次以上的谐波已经很小，基本可以忽略了)，那么还剩余5,7次谐波的影响不能被三步相移法去除。继而有学者通过理论分析，发现通过三步相移法进行相位解析后，剩余的相位误差可以表示为以下形式：
Figure BDA0003652705240000072
Figure BDA0003652705240000073
表示相位，
Figure BDA0003652705240000074
第一组三步相移法产生的剩余相位误差。
这里的B1，B5，B7分别表示的是1次，5次，7次谐波对应的信号强度。
可以看出剩余的相位误差是一个周期为π/3的函数，那么如果在配合一组整体相移了π/6的三步相移法，两组三步相移的结果进行平均，就可以有效地抵消掉原本的相位误差，这里给出另一组三步相移法产生的相位误差：
Figure BDA0003652705240000081
以及两者平均后，最后的相位误差：
Figure BDA0003652705240000082
可以看出后的相位误差，由于1/2，以及(B5+B7)/B1<1的原因，会远远小于单组三步相移法的结果。但是从最后的相位误差结果可以看出，5次以及7次谐波还是对对偶三步相移法的相位解析结果有影响。而本方案提出的六步相移法却可以完全抑制5次以及7次谐波。为了直观地体现本方案的技术优势，图4(a)-图4(b)展示了同时利用对偶三步相移法以及本发明的六步相移法对同一离焦方波条纹(如图4(a)所示)进行相位分析的结果，并与真值比较，得到两个相位误差结果，如图4(b)所示，从该结果可以看出，本发明的方法可以进一步有效降低相位误差结果，从而提高三维测量精度。
实施例2
如图5所示，一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量装置，包括至少一个处理器，至少一个执行离焦投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及与所述至少一个处理器通信连接存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接；所述存储器有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种基于半截断正弦条纹的二值离焦三维测量方法。
还包括至少一个与存储器信号连接的输入输出接口以及电源，所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为三维测量装置提供电能。
实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方案实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory,ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方案的全部或者部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.生成相移量依次为0，
Figure FDA0003652705230000011
的六幅方波条纹图，得到编码条纹组；
S2.将所述编码条纹组离焦投影至待测物体处，采集待测物体返回的条纹图像；
S3.利用采集的所述待测物体返回的条纹图像，结合特定的六步相移计算公式对所述条纹图像进行相位解析，并通过相位图重建得到素数待测物体的三维数据。
2.根据权利要求1所述的新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的六幅方波条纹图的生成公式为：
Figure FDA0003652705230000012
其中，Isquare为半截断正弦条纹图像初始生成时的强度，f0为空间载频，x为半截断正弦条纹图像的图像坐标的横坐标，Z为整数域。
3.根据权利要求1所述的新的基于离焦二值方波条纹的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S3中所述的特定的六步相移计算公式为：
Figure FDA0003652705230000013
其中，
Figure FDA0003652705230000014
为对离焦方波条纹解析出的截断相位，I1～I6分别代表了采集到的相移量依次为0，
Figure FDA0003652705230000015
的受被测物体调制后的条纹图像。
4.一种新的基于离焦二值方波条纹的三维测量装置，其特征在于，包括至少一个处理器，至少一个执行离焦投影的投影装置，至少一个采集待测物体返回图像的采集相机以及所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述投影装置以及采集相机分别与所述处理器通信连接，所述存储器储存有被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-权利要求3中任一项所述的方法。
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