CN115655152A - 一种基于三频外差的改进三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三频外差的改进三维测量方法，包括以下步骤：根据条纹选择方法，选择合适的条纹周期组合，投射三组不同周期的条纹图像，CCD采集变形条纹，使用多步相移法计算包裹相位，使用改进的相位差运算获得连续相位图像，使用改进的相位和运算获得频率高于投射条纹频率的相位图像，使用连续的相位差图像计算相位和图像的级次信息，最终获得物体的连续相位分布。本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法，该方法使用条纹周期优选方法，在测量之前获得更好的周期组合，经过改进的相位运算可以获得等效频率更高的相位分布，以及更好的抗噪能力，有效提高了测量的精度。

Description

一种基于三频外差的改进三维测量方法

技术领域

本发明涉及三维测量领域，尤其涉及一种基于三频外差的改进三维测量方法。

背景技术

条纹投影轮廓测量术是一种基于光栅投影和相位测量的光学三维轮廓测量技术，随着数字投影仪和传感器设备的发展，该方法能够以很低的成本获得精度很高的三维信息，因此广泛应用在机械装配、器件改造、生物医疗和文物保护等众多领域。

结构光三维测量中，核心的内容就是获得待测物体的连续相位分布，由于相位提取都是使用反三角函数进行计算，计算出的相位值存在截断，因此需要对截断的不连续相位进恢复。

相位恢复主要有两类方法，分别为空间相位恢复和时间相位恢复方法，空间相位恢复方法易受噪声的影响，噪声产生的误差会扩散到其他位置，而时间相位恢复方法，则是通过同一位置相邻时间的像素进行相位恢复，噪声导致的误差不会扩散到其他的位置。在时间相位恢复方法中，三频外差相位恢复方法由于其具有精度高，实现简单，所需数据量适中等优点，被广泛使用在多种领域。但是由于该方法在相位计算过程中等效频率的降低和噪声的增加，导致测量精度降低。

因此，有必要提供一种基于三频外差的改进三维测量方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于三频外差的改进三维测量方法，解决了该方法在相位计算过程中等效频率的降低和噪声的增加，导致测量精度降低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法，包括以下步骤：

S1：根据条纹选择方法，选择合适的条纹周期组合；

S2：投射三组不同周期的条纹图像，CCD采集变形条纹；

S3：使用多步相移法计算包裹相位；

S4：使用改进的相位差运算获得连续相位图像；

S5：使用改进的相位和运算获得频率高于投射条纹频率的相位图像；

S6：使用连续的相位差图像计算相位和图像的级次信息，最终获得物体的连续相位分布。

优选的，所述S1包括以下步骤：

S101：条纹选择方法，根据小误差周期组合点所拟合的线性函数，通过此线性函数计算最优周期组合。

S102：拟合所获得的线性函数为：

T₂＝round{k₁T₃+k₂}

T₁＝round{k₃T₂+k₄}

其中round{·}为最近取整，T₁、T₂、T₃为条纹周期，且T₁＜T₂＜T₃，通过多次重复实验，获得k₁,k₂,k₃,k₄的值为：

k₁＝0.9691

k₂＝-0.2224

k₃＝0.934

k₄＝1.498

优选的所述S3包括以下步骤：

S301：根据S2步骤获得的变形条纹，其表达式为：

其中I_n(x,y)为获得的变形条纹，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强， n相移步数索引，N是相移步数，

为物体的相位。

S302：使用获得的变形条纹图像计算包裹相位，计算公式为：

优选的，所述S4包括以下步骤：

S401：使用包裹相位进行两次改进的相位差运算，第一次相位差运算公式为：

其中

为三种周期条纹计算获得的包裹相位，

和

为第一相位差运算获得的相位，第一次相位差运算完成之后，合成相位周期扩大。

S402：在进行下一次相位差运算之前，根据差值分为两部分的统计规律，使用大津阈值分割算法计算相位差值的中间阈值，计算公式为：

T_h＝OSTU{φ_12d-φ_23d}

其中OSTU{·}为大津阈值分割运算，T_h为计算所获得的阈值。

S403：获得阈值之后进行第二次的相位差运算：

f_12d＝f₁-f₂,f_23d＝f₂-f₃,f_123d＝f_12d-f_23d

f_123d＜f_23d＜f_12d＜f₃＜f₂＜f₁

优选的，所述S5包括以下步骤：

S501：使用包裹相位进行两次改进的相位和运算，第一次相位和运算公式如下：

和

为第一次相位和运算获得的相位，经过第一次相位和运算之后，所获得的相位分布频率得到了提高。

S502：为保证第二次相位和运算之后可以获得正确频率的相位分布，对第一次结果进行数值移动，计算公式为：

其中

为经过数值移动的相位分布。

S503：使用第一次运算获得的结果，进行第二次相位和运算，运算公式如下：

f_12s＝f₁+f₂,f_23s＝f₂+f₃,f_123s＝f_12s+f_23s

f₃＜f₂＜f₁＜f_23s＜f_12s＜f_123s

优选的，所述S6包括以下步骤：

S601：使用连续的相位差来求解更高频率的相位和的级次信息，将相位和恢复为连续的相位，计算公式如下：

优选的，所述S2中CCD采集变形条纹时需要使用采集装置，所述采集装置包括固定座，所述固定座的表面通过转动轴转动连接有转动盘，所述固定钉座的表面设置有固定环。

优选的，所述固定环的表面设置有支撑组件，所述支撑组件包括环形槽，所述环形槽的内部滑动连接有弧形滑块，所述弧形滑块的表面连接有支撑座，所述支撑座的表面连接有转动座，所述转动座的一侧设置有固定件，所述弧形滑块的底部连接有定位件，所述环形槽内壁的底部开设有环形连通槽。

优选的，所述转动座的一侧设置有调节组件，所述调节座包括固定杆，所述转动座的表面且位于所述固定杆相对的一侧设置有刻度杆，所述固定杆和所述刻度杆之间设置有调节座。

优选的，所述调节座的一侧设置有固定组件，所述固定组件包括固定架，所述固定架表面的两侧均连接有连接杆，两个所述连接杆之间设置有活动件，所述活动件的两侧均设置有卡接件，所述固定架的内部设置有连接件。

与相关技术相比较，本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于三频外差的改进三维测量方法，该方法使用条纹周期优选方法，在测量之前获得更好的周期组合，经过改进的相位运算可以获得等效频率更高的相位分布，以及更好的抗噪能力，有效提高了测量的精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法的第一实施例的结构示意图；

图2为测量系统的结构示意图；

图3为各运算所获得的结果图；

图4为第一次相位差运算结果统计图；

图5为测量结果图；

图6为不同方法与真值的误差对比图；

图7为本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法的第二实施例的结构示意图；

图8为图7所示的A部放大示意图；

图9为图7所示的装置整体的立体结构示意图；

图10为图9所示的B部放大示意图。

图中标号：1、固定座，2、转动盘，

3、支撑组件，31、环形槽，32、弧形滑块，33、支撑座，34、转动座， 35、固定件，36、定位件，37、环形连通槽，

4、调节组件，41、固定杆，42、刻度杆，43、调节座，

5、固定环，

6、固定组件，61、固定架，62、连接杆，63、活动件，64、卡接件，65、连接件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

第一实施例

请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，其中，图1为本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法的第一实施例的结构示意图；图2 为测量系统的结构示意图；图3为各运算所获得的结果图；图4为第一次相位差运算结果统计图；图5为测量结果图；图6为不同方法与真值的误差对比图。一种基于三频外差的改进三维测量方法，包括以下步骤：

S1：根据条纹选择方法，选择合适的条纹周期组合；

S2：投射三组不同周期的条纹图像，CCD采集变形条纹；

S3：使用多步相移法计算包裹相位；

S4：使用改进的相位差运算获得连续相位图像；

S5：使用改进的相位和运算获得频率高于投射条纹频率的相位图像；

S6：使用连续的相位差图像计算相位和图像的级次信息，最终获得物体的连续相位分布。

所述S1包括以下步骤：

S101：条纹选择方法，根据小误差周期组合点所拟合的线性函数，通过此线性函数计算最优周期组合。

S102：拟合所获得的线性函数为：

T₂＝round{k₁T₃+k₂}

T₁＝round{k₃T₂+k₄}

其中round{·}为最近取整，T₁、T₂、T₃为条纹周期，且T₁＜T₂＜T₃，通过多次重复实验，获得k₁,k₂,k₃,k₄的值为：

k₁＝0.9691

k₂＝-0.2224

k₃＝0.934

k₄＝1.498

在进行测量之前，首先确定所选条纹最大周期，之后通过函数计算获得其他两组条纹的大小。

所述S3包括以下步骤：

S301：根据S2步骤获得的变形条纹，其表达式为：

其中I_n(x,y)为获得的变形条纹，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强， n相移步数索引，N是相移步数，

为物体的相位。

S302：使用获得的变形条纹图像计算包裹相位，计算公式为：

使用上述公式计算获得的相位为包裹相位，使用三频外差法将包裹相位恢复为连续相位。

所述S4包括以下步骤：

S401：使用包裹相位进行两次改进的相位差运算，第一次相位差运算公式为：

其中

为三种周期条纹计算获得的包裹相位，

和

为第一相位差运算获得的相位，第一次相位差运算完成之后，合成相位周期扩大。

S402：在进行下一次相位差运算之前，根据差值分为两部分的统计规律，使用大津阈值分割算法计算相位差值的中间阈值，计算公式为：

T_h＝OSTU{φ_12d-φ_23d}

其中OSTU{·}为大津阈值分割运算，T_h为计算所获得的阈值。

S403：获得阈值之后进行第二次的相位差运算：

f_12d＝f₁-f₂,f_23d＝f₂-f₃,f_123d＝f_12d-f_23d

f_123d＜f_23d＜f_12d＜f₃＜f₂＜f₁

其中

为第二次相位差运算获得的相位，f_id为合成相位的频率 (i＝12,23,123)，经过两次相位差运算，获得的最终相位为连续的相位。

所述S5包括以下步骤：

S501：使用包裹相位进行两次改进的相位和运算，第一次相位和运算公式如下：

和

为第一次相位和运算获得的相位，经过第一次相位和运算之后，所获得的相位分布频率得到了提高。

S502：为保证第二次相位和运算之后可以获得正确频率的相位分布，对第一次结果进行数值移动，计算公式为：

其中

为经过数值移动的相位分布。

S503：使用第一次运算获得的结果，进行第二次相位和运算，运算公式如下：

f_12s＝f₁+f₂,f_23s＝f₂+f₃,f_123s＝f_12s+f_23s

f₃＜f₂＜f₁＜f_23s＜f_12s＜f_123s

其中

为第二次相位和运算获得的相位，f_is为合成相位的频率 (i＝12,23,123)，经过第二次相位和运算之后，所获得的相位和的频率高于所有投射条纹的频率。

所述S6包括以下步骤：

S601：使用连续的相位差来求解更高频率的相位和的级次信息，将相位和恢复为连续的相位，计算公式如下：

其中k为相位的级次，Φ_i为频率较低的连续相位，Φ_h为更高频率的连续相位，对相位进行逐级的展开，最终获得频率最高的连续相位。

实施例一

本实施例的基于三频外差的改进三维测量方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤a、根据条纹选择方法，选择合适的条纹周期组合。

步骤b、投射三组不同周期的条纹图像，CCD采集变形条纹。

步骤c、使用多步相移法计算包裹相位。

步骤d、进行第一次相位差和相位和的运算。

步骤e、进行第二次相位差和相位和的运算。

步骤f、使用相位差来辅助恢复相位和，最终获得物体连续相位。

实施例二

本实施例是具体实施例一的测量系统图。

实施例三

本实施例的周期选择，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤a的具体步骤如下：

步骤a1：拟合函数为：

T₂＝round{k₁T₃+k₂}

T₁＝round{k₃T₂+k₄}

其中：

k₁＝0.9691

k₂＝-0.2224

k₃＝0.934

k₄＝1.498

首先确定测量所需要的最大条纹周期，之后使用函数计算其他两组周期的值。

实施例四

本实施例是在具体实施例一的基础上，对步骤d方案的说明，经过第一相位差运算之后，根据差值的分布规律使用大津阈值分割算法计算中间两组数据之间的阈值，如图3所示。

实施例五

本实施例的相位差和相位和技术，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤e的具体步骤如下：

步骤e1：第二次相位差使用大津法获得的阈值来进行运算，计算公式为：

步骤e2：：第二次相位和使用经过数值移动的相位来进行运算，计算公式为：

实施例六

本实施例的相位解包裹方法，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤f的具体步骤如下：

使用连续的低频相位求解高频相位的级次，逐级进行相位恢复，计算公式为：

通过逐级的恢复，最终获得频率最高的连续相位分布。

实施例七

本实施例的基于三频外差的改进三维测量方法，和具体实施例一到六可以获得精度更高的三维信息。图4是相位运算结果，图5是测量获得的物体相位分布图像，图6是与其他方法的对比。

与相关技术相比较，本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于三频外差的改进三维测量方法，该方法使用条纹周期优选方法，在测量之前获得更好的周期组合，经过改进的相位运算可以获得等效频率更高的相位分布，以及更好的抗噪能力，有效提高了测量的精度。

第二实施例

请结合参阅图7、图8、图9和图10，基于本申请的第一实施例提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法，本申请的第二实施例提出另一种基于三频外差的改进三维测量方法。第二实施例仅仅是第一实施例优选的方式，第二实施例的实施对第一实施例的单独实施不会造成影响。

具体的，本申请的第二实施例提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法的不同之处在于，一种基于三频外差的改进三维测量方法，所述S2中 CCD采集变形条纹时需要使用采集装置，所述采集装置包括固定座1，所述固定座1的表面通过转动轴转动连接有转动盘2，所述固定钉座1的表面设置有固定环5。

转动盘2的使用可以对物体进行位置的调节，在转动盘2的表面设置有固定栓，可以将转动盘2与固定座1固定连接。

所述固定环5的表面设置有支撑组件3，所述支撑组件3包括环形槽31，所述环形槽31的内部滑动连接有弧形滑块32，所述弧形滑块32的表面连接有支撑座33，所述支撑座33的表面连接有转动座34，所述转动座34的一侧设置有固定件35，所述弧形滑块32的底部连接有定位件36，所述环形槽31 内壁的底部开设有环形连通槽37。

弧形滑块32的一侧连接有弧形限位块，在环形槽31内壁的一侧开设有与弧形限位块相适配的环形限位槽，定位件36的使用可以对弧形滑块32固定连接在固定环5连接，环形连通槽37能方便定位件36的活动。

所述转动座34的一侧设置有调节组件4，所述调节座4包括固定杆41，所述转动座34的表面且位于所述固定杆41相对的一侧设置有刻度杆42，所述固定杆41和所述刻度杆42之间设置有调节座43。

在固定杆41、刻度杆42和两个两个连接杆62的顶端均连接有挡块，防止调节座43和活动件63的脱落，刻度杆42的使用方便调节座43调节的高度数值进行观看。

所述调节座43的一侧设置有固定组件6，所述固定组件6包括固定架61，所述固定架61表面的两侧均连接有连接杆62，两个所述连接杆62之间设置有活动件63，所述活动件63的两侧均设置有卡接件64，所述固定架61的内部设置有连接件65。

在活动件63的两端均开设有与两个卡接件64相适配的活动连通孔，在活动件63的表面设置有螺栓，在卡接件64的表面开设有多个与螺栓相适配的螺纹孔。

本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法的工作原理如下：

使用时，当对摄像头进行安装时，首先将摄像头放置在固定架61的表面，当放置好摄像头后，再使用连接件65穿过固定架61的底部并延伸至固定架61的表面并与摄像头连接，当固定好摄像头后，在对带有摄像头的固定架61 进行角度的调节，当调节好固定架61的角度后，再使用螺栓将固定架61与调节座43螺纹连接，当固定好固定架61和调节座43后，再根据指定的高度数值，通过推动调节座43在固定杆41和刻度杆42之间进行移动，当调节座 43移动至指定的数值后，再使用螺栓贯穿调节座43的表面并与固定杆41螺纹连接即可。

当固定好调节座43后，再使用支撑座33表面的转动座34对整个装置进行角度的调节，当调节好装置后，使用固定件36对转动座34进行固定。

当调节好整个装置的角度后，再通过推动支撑座33带动弧形滑块32在环形槽31的内部进行移动，当支撑座33移动时带动装置整体进行位置的调节，当调节好装置的位置后，使用螺栓对弧形滑块32和固定环5连接即可使用。

当对投影仪进行固定时，将连接件65与固定架61分离，当连接件65与固定架61分离后，再将投影仪放置在固定架61上，当放置好投影仪后，再通过推动两个连接杆62之间带有两个卡接件64的活动件63向投影仪的表面移动，当活动件63和卡接件64与投影仪接触后即可对使用螺栓对活动件63 和卡接件64螺纹连接。

与相关技术相比较，本发明提供的一种基于三频外差的改进三维测量方法具有如下有益效果：

本发明提供一种基于三频外差的改进三维测量方法，在固定座1的表面设置转动盘2便于对物体进行放置，也方便对物体的位置进行调节，在固定座1的表面设置带有环形槽31的固定环5配合支撑组件3便于带动使用的仪器进行位置的调节，能够进行过角度的进行测量，在调节座43的一侧设置固定组件6有利于对摄像头和投影仪进行固定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据条纹选择方法，选择合适的条纹周期组合；

S2：投射三组不同周期的条纹图像，CCD采集变形条纹；

S3：使用多步相移法计算包裹相位；

S4：使用改进的相位差运算获得连续相位图像；

S5：使用改进的相位和运算获得频率高于投射条纹频率的相位图像；

S6：使用连续的相位差图像计算相位和图像的级次信息，最终获得物体的连续相位分布。

2.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：

S101：条纹选择方法，根据小误差周期组合点所拟合的线性函数，通过此线性函数计算最优周期组合；

S102：拟合所获得的线性函数为：

T₂＝round{k₁T₃+k₂}

T₁＝round{k₃T₂+k₄}

其中round{·}为最近取整，T₁、T₂、T₃为条纹周期，且T₁＜T₂＜T₃，通过多次重复实验，获得k₁,k₂,k₃,k₄的值为：

k₁＝0.9691

k₂＝-0.2224

k₃＝0.934

k₄＝1.498。

3.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：

S301：根据S2步骤获得的变形条纹，其表达式为：

其中I_n(x,y)为获得的变形条纹，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强，n相移步数索引，N是相移步数，

为物体的相位；

S302：使用获得的变形条纹图像计算包裹相位，计算公式为：

4.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：

S401：使用包裹相位进行两次改进的相位差运算，第一次相位差运算公式为：

其中

为三种周期条纹计算获得的包裹相位，

和

为第一相位差运算获得的相位，第一次相位差运算完成之后，合成相位周期扩大；

S402：在进行下一次相位差运算之前，根据差值分为两部分的统计规律，使用大津阈值分割算法计算相位差值的中间阈值，计算公式为：

T_h＝OSTU{φ_12d-φ_23d}

其中OSTU{·}为大津阈值分割运算，T_h为计算所获得的阈值；

S403：获得阈值之后进行第二次的相位差运算：

f_12d＝f₁-f₂,f_23d＝f₂-f₃,f_123d＝f_12d-f_23d

f_123d＜f_23d＜f_12d＜f₃＜f₂＜f₁。

5.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：

S501：使用包裹相位进行两次改进的相位和运算，第一次相位和运算公式如下：

和

为第一次相位和运算获得的相位，经过第一次相位和运算之后，所获得的相位分布频率得到了提高；

S502：为保证第二次相位和运算之后可以获得正确频率的相位分布，对第一次结果进行数值移动，计算公式为：

其中

为经过数值移动的相位分布；

S503：使用第一次运算获得的结果，进行第二次相位和运算，运算公式如下：

f_12s＝f₁+f₂,f_23s＝f₂+f₃,f_123s＝f_12s+f_23s

f₃＜f₂＜f₁＜f_23s＜f_12s＜f_123s。

6.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S6包括以下步骤：

S601：使用连续的相位差来求解更高频率的相位和的级次信息，将相位和恢复为连续的相位，计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述S2中CCD采集变形条纹时需要使用采集装置，所述采集装置包括固定座，所述固定座的表面通过转动轴转动连接有转动盘，所述固定钉座的表面设置有固定环。

8.根据权利要求7所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述固定环的表面设置有支撑组件，所述支撑组件包括环形槽，所述环形槽的内部滑动连接有弧形滑块，所述弧形滑块的表面连接有支撑座，所述支撑座的表面连接有转动座，所述转动座的一侧设置有固定件，所述弧形滑块的底部连接有定位件，所述环形槽内壁的底部开设有环形连通槽。

9.根据权利要求8所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述转动座的一侧设置有调节组件，所述调节座包括固定杆，所述转动座的表面且位于所述固定杆相对的一侧设置有刻度杆，所述固定杆和所述刻度杆之间设置有调节座。

10.根据权利要求9所述的基于三频外差的改进三维测量方法，其特征在于，所述调节座的一侧设置有固定组件，所述固定组件包括固定架，所述固定架表面的两侧均连接有连接杆，两个所述连接杆之间设置有活动件，所述活动件的两侧均设置有卡接件，所述固定架的内部设置有连接件。

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