CN1554926A - 用频闪结构照明实现高速运动物体三维面形测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是三维传感技术中基于傅里叶变换轮廓术用频闪光源投影结构光场实现对高速运动物体的三维面形和变形进行实时测量的方法。应用频闪光源将光栅等面结构调制模板瞬时成像在运动物体表面上，再用摄像装置记录下运动物体各个时刻的一序列变形条纹图，随后用傅里叶变换方法处理这些变形条纹，能够精确地恢复出运动物体各个时刻的三维面形，进一步分析数据处理结果可以获得诸如物体变形等一些数字化信息。本发明可以用于有明显周期信号运动(如旋转、振荡等)和无明显周期信号运动(如膨胀、收缩、弹道飞行、爆轰等瞬态现象)的测量研究。本发明具有测量精度高，响应时间快，能够实时获取高速运动物体三维面形数据等优点。

Description

说明书 用频闪结构照明实现高速运动物体三维面形测量的方法

一、技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于傅里叶变换轮廓术方法的用频闪光源投影结构光场实现对高速运动物体的实时三维面形和变形的测量。

二、技术背景

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、精度高、易于自动控制等优点获得很大发展。现有的光学三维传感方法主要包括：三角测量法、莫尔条纹法(Moiré Topography，简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)、空间相位检测术(Spatial Phase Detection，简称SPD)、位相测量轮廓术(Phase MeasuringProfilometry，简称PMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制，来获得三维物体面形高度信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是位相测量轮廓术和傅立叶变换轮廓术。位相测量轮廓术需要从多帧相移条纹图形来重建三维面形，具有很高的精度，但由于采用多次相移，实时性较差。傅里叶变换轮廓术是通过对变形条纹图像进行傅里叶变换、频域滤波和逆傅里叶变换等步骤实现的。傅里叶变换轮廓术只需要用一帧条纹图来重建三维面形，实时性较好，可以用于动态过程的三维传感。当被测物体处于高速运动状态时，由于受摄像器件的帧频限制，采用传统的常亮光源照明和投影结构光场到物体表面，最终获取的变形条纹分布将“拉毛”甚至完全模糊，无法用该图像信息进行物体的三维面形重建。在对高速运动的物体进行三维面形和变形的精确测量的研究中，最关键的技术是如何拍摄到高速运动的物体的瞬间清晰变形条纹图像。应用本发明提及的频闪光源投影结构光场的方法，就可以解决这一关键技术难题。

频闪光源是一定频率快速闪动的光源，在用频闪光源观测高速旋转或运动的物体时，通过调节频闪光源的闪动频率，使其与被测物的转动或运动速度逐渐接近，被测物虽然在高速运动着，但看上去却是缓慢运动的，当频闪光源的重复闪动频率小于物体的运动频率时，拍摄运动物体所获得图像的运动方向与物体本身运动方向一致；当频闪光源的重复闪动频率大于物体的运动频率时，图像运动方向与物体本身运动方向相反，现实生活中人们看到的高速行驶的汽车车轮旋转方向与汽车行驶方向相反就是这个原因；当频闪光源的闪动频率严格与被测物体的转动或运动速度相等或者是其整数倍时，将看到物体是相对静止的。简单地说，人眼被突发的短暂的闪光“征服”了，只看到短暂闪光瞬间的物体状态，只看到物体总是呈现每种固定位置和姿态(静止)。这种视觉暂留现象，称为“频闪效应”，频闪效应使人目测就能轻易观测高速运动物体的运行状况。

在高速动态摄影研究领域中，频闪光源大多采用氙灯灯管(XenonFlashtube)，氙灯闪光强度高、均匀性好，但是充电时间很长，当一次摄影过程中需要多次闪光曝光时，往往是需要一个按时序放电闪光的多个氙灯组合。氙灯的响应速度慢使得单一氙灯无法获得高频频闪光。

三、发明内容

本发明的目的则是针对动态过程中常亮光源投影结构光场无法获得清晰变形条纹的缺陷，提出一种在三维传感技术测量中用频闪光源投影结构光场实现对高速运动物体的实时三维面形测量的方法。这种方法能非常好地做到实时获得运动物体瞬间表面变形条纹分布的图像信息，并具有较高的测量精度，使得傅里叶变换轮廓术能真正实现动态和瞬态测量。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

频闪光源的发光管可以选用发光二极管(LED)作为发光源，因为作为可见光冷光源的LED比许多传统短持续时间闸门方法具有更多的优越性：高响应速度(纳秒量级)、低电压驱动、低耗费功率、低发热而无需任何散热装置、简单的驱动电路、微缩的外型尺寸、极度柔韧性的安装和低廉的成本价格。

在测量具有明显周期运动特性的物体(如后面将提到的旋转)时，用红外对管检测物体的运动频率，并将该频率信号实时同步地交给LED频闪控制和图像采集单元，使得物体运动、LED发光和摄像系统三者的严格同步，最终真正“冻结”某一瞬间时刻的物体运动状态图像。

在测量无明显周期运动特性的物体(如飞行物体)时，可以通过人工设定频闪光源发光频率，并将该频率信号实时同步地交给LED频闪控制和图像采集单元，让LED发光和摄像系统两者同步起来，最终采用相等或不等的时间间隔去“冻结”相对应的瞬间时刻的物体运动状态图像。

为了很好地实现这个思想，本发明采用一个同步驱动控制电路板。这个电路板能完成LED的用户指定任意闪烁频率的驱动，也能自动跟踪和提取被测运动物体的频率，同步驱动LED发光，当被测物体运动频率高于普通商用CCD的实际帧频时还可以使用系统提供的分频单元进行计数分频，按照一定时间间隔抽样，完成对高频运动物体的面形测量；同时，该电路板还可以对光源发光的持续时间进行调节，做到依照不同物体的不同运动速度调整发光占空比，使得摄像系统最终获得清晰的条纹图像。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明使用频闪光源投影结构光场以实现傅里叶变换轮廓术，使三维传感光学系统结构能够实时测量高速运动物体面形。

2.本发明光源的发光持续时间可调，能够最终获得清晰的变形条纹图像。

3.本发明使用专门设计的同步控制系统，能实时捕获和跟踪物体运动频率，进行同步图像采集，做到真正意义上的实时测量。

4.本发明可以按高速运动物体的运动特征，任意、无级设定闪光频率，驱动频闪光源按照预先定义的时间系列发光和投影结构光场，最终能够测量一些无明显运动周期特性的物体。

5.本发明可以通过分频设定间隔采样的方法，用帧频为25fr/s的通用CCD完成高速运动物体的面形测量。

四、附图说明

图1傅里叶变换轮廓术方法的光路示意图。

图2未使用本发明情况下拍摄的旋转风扇叶片的模糊图像。

图3使用本发明情况下拍摄的旋转风扇叶片的清晰图像。

图4是同步控制电路板的功能简单框图。

图5本发明测量旋转风扇叶片的系统装置示意图。

图6本发明拍摄获取的旋转风扇叶片的四个时刻清晰的变形条纹图像。

图7本发明恢复重建的某一时刻风扇叶片的三维面形网格分布图。

图8本发明重建风扇叶片的一系列时刻三维面形在子图所示线上的变形量。

五、具体实施方式

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。

用于动态测量的傅里叶变换轮廓术所采用的光路与传统的静态物体面形测量测光路相似。图1是FTP方法的投影光路，7为投影装置，2为投影光栅，3为成像装置，一般采用CCD摄像机。4为待测物体。E_p、E′_p分别是投影系统的出瞳和入瞳，E′_pE_p为其光轴。E′_c、E_c分别是成像系统的出瞳和入瞳，E′_cE_c为成像系统的光轴，两光轴相交于参考平面5上的点O。光栅2的栅线垂直于E_pE_cO平面，参考平面与E′_cE_c垂直。

当一块正弦光栅或罗奇光栅被离焦投影到参考平面4上时，CCD获取的成像条纹为：

$g_0(x,y)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_0{r}_0(x,y)\exp \left\{j\right[2\mathrm{n\π}{f}_{0}x+n{\mathrm{\φ}}_0(x,y)\left]\right\}----\left(1\right)$

其中x轴与栅线垂直，y轴与栅线平行，r₀(x，y)代表参考面上的反射率分布函数，f₀为光栅像的空间基频(f₀＝1/p₀，p₀为光栅像的空间周期)，φ₀(x，y)是参考平面上的相位分布。在相同结构参数的条件下，将该光栅像投影到待测的漫反射物体表面上，成像系统得到的变形条纹分布为：

$g(x,y,t)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{0}r(x,y,t)\exp \left\{j\right[2\mathrm{n\π}{f}_{0}x+\mathrm{n\φ}(x,y,t)\left]\right\}----\left(2\right)$

其中t＝1，2，...，s，s为整个动态过程的历经时间，r(x，y，t)是各时刻物体表面反射率分布函数，φ(x，y，t)是各个时刻由于物体表面高度变化而引起的相位调制。

为了讨论和数据处理的方便，将成像系统拍摄获得的参考平面的条纹定义为t＝0时刻获得的零时刻无形变的变形条纹，可以将(1)式改写为：

$g_0(x,y)=g(x,y,t=0)=g(x,y,0)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{n}r(x,y,0)\exp \left\{j\right[2n{\mathrm{\πf}}_{0}x+\mathrm{n\φ}(x,y,0)\left]\right\}----\left(3\right)$

这样一来，(1)式和(2)式就可统一写成：

$g(x,y,t)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{n}r(x,y,t)\exp \left\{j\right[2\mathrm{n\π}{f}_{0}x+\mathrm{n\φ}(x,y,t)\left]\right\}----t=\mathrm{0,1,2},...,s----\left(4\right)$

对(4)式进行傅里叶变换，得到的频谱分布中，基频包含了所需的相位信息。通过一个合适的带通滤波器，将其中的一支基频分量过滤出来，然后对滤波后的基频分量进行逆傅里叶变换，得到的复分布为：

$\hat{g}(x,y,t)=A_{1}r(x,y,t)\exp \left\{i\right[2\mathrm{\π}{f}_{0}x+\mathrm{\φ}(x,y,t)\left]\right\}----t=\mathrm{0,1,2},...,s----\left(5\right)$

从投影光路的几何关系可以看出，物体的高度信息被编码在三维相位分布φ(x，y，t)中，而Δφ(x，y，t)＝φ(x，y，t)-φ(x，y，0)对应着待测物体的真实高度分布h(x，y，t)，因此只需要求出Δφ(x，y，t)后再利用相位和高度的对应关系式：

$h(x,y,t)=\frac{l_0\mathrm{\Δ\φ}(x,y,t)}{\mathrm{\Δ\φ}(x,y,t)-2\mathrm{\π}{f}_{0}d}\≈-\frac{l_0\mathrm{\Δ\φ}(x,y,t)}{2\mathrm{\π}{f}_{0}d}----\left(6\right)$

即可恢复出物体的三维物体表面面形高度分布。

通常情况下计算出来的相位分布是截断在(-π，π)之间的，还必须对其进行展开。当测量对象为处于动态过程的物体时，获得的截断相位场是三维的。三维相位的展开不仅需要在x，y二维方向上进行，而且还应在t方向上也进行展开，以保证获得相邻时刻的相位场之间的正确关系。从表面上来看，三维相位场比二维相位场增加了需要展开的维数，似乎会增加相位展开的难度，但实际上新增的需要展开的时间维给三维相位展开带来了新的方法和展开路径，使得三维相位的展开路径不再局限于x，y两个方向了，最终增加了不连续点的可展性和自由度。

图2是常亮光源照明下所拍摄到的旋转风扇叶片的模糊图像。

图3是采用本发明所拍摄到的旋转风扇叶片的某一时刻的清晰图像。

图4是同步控制电路板的功能简单框图，制作后的电路板使用计算机的ISA插槽，板上设有跳线选择开关，提供四种选择工作状态：①输出LED的峰值工作电压，是LED工作在长亮状态；②连通在已知被测动态物体运动频率的情况下频率录入的一个工作支路，最终产生1～1600Hz的驱动频率，使LED在相应频率下工作；③连通在已知被测动态物体运动频率的情况下频率录入的另一个工作支路，最终产生1600Hz以上的驱动频率，使LED在相应频率下工作；④接通自动检测频率支路，将由红外对管测得的物体转动频率信号实时传送给LED的驱动电路部分。VCO为压控振荡器，用CT74LS629器件将外加控制电压信号改变成振荡频率信号，最高振荡频率可大20MHz；分频器可以实现无极变频，也就是说，经过分频后的频率可以是连续无间断的。当分频器分出的频率与分频数编码器所记录的要求值一致时，打开后端设备的触发器，并且发出一个信号反馈到分频器将分频器的计数清零；触发器使用有施密特触发器的双单稳态触发器74LS221，以触发单支LED或阵列LED，同时也触发图像采集操作。

另外，在这个插件板的设计阶段还考虑到了插件板应该在电路上实现对触发LED发光的脉冲信号的脉宽和占空比实施可控调节，因此专门的可调电位器设计最终使这个插件板在实际运用中可以对脉冲信号的脉宽和占空比依据需求进行调节。

图5是运用本发明对旋转风扇叶片形变进行测量的系统装置示意图。该测量系统要求安装在计算机主机1中的图像采集卡2具有外部触发(External Trigger)采集功能，CCD摄像机3具有外同步复位功能。由红外对管4探测到的风扇叶片5旋转频率信号S_test传输给同步驱动控制电路板6，该电路板同时发出两个信号：一个是对安装在多维调节架7上的LED频闪灯8的驱动电压信号V_tri，该信号点亮了LED并将光栅9的像经过投影系统10投影到被测的旋转风扇叶片5上；另一个是反馈给图像采集卡2和成像系统(摄像器件CCD)3的触发信号S_tri，该信号又分成两路，一路触发CCD记录下LED发光时的叶片图像，另一路同时触发图像采集卡采集当前时刻CCD获得的图像信息。携带了处于旋转状态中风扇叶片的变形信息的图像数据被摄像系统接受后暂存在图像采集卡预先开辟的内存中，待全部拍摄完毕后转存到计算机主机的硬盘中等待处理。

在动态物体实验研究中，受物体表面调制的变形条纹在很短时间内以很快的速度移动，如果在闪一次光的这一小段时间过程中有任何一条变形条纹在运动，成像系统将得到—帧模糊的图像。因此，闪光的持续时间必须短到足够冻结这些变形条纹并且在同一时间内在成像系统中有充分的光强曝光。

图6分别给出了风扇由通电开始运转到相对稳定旋转(此时转速为每分钟1080转)时间段内共获取的100帧高速旋转风扇叶片瞬间图像中的4帧，(a)，(b)，(c)，(d)四个子图所示的时刻分别对应叶片旋转转数为1，26，58，90转。

图7给出了恢复重建后的叶片旋转到第24转时的三维面形网格图。

图8(a)，(b)分别给出了叶片上在左下子图所示的线上当转数为1，3，10，18，26，34，42，50，58，66，74，82，90，98时分别相对于第1转时的变形情况。

Claims (6)

1.一种适用于三维传感技术测量中用频闪光源投影结构光场对运动物体进行三维面形实时测量的方法，其特征在于应用同步的或者固定周期频率的频闪光源作为照明光源，将面结构调制模板图案投影到物体表面，用摄像装置记录下变形光场图形，并对获得的运动物体的变形光场进行处理以获取物体瞬时的三维面形高度分布和变形量。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的频闪光源，是指用电子线路板驱动控制发光二极管(LED)或者氙灯灯管(Xenon Flashtube)等可重复闪烁发光的发光器件发光；或者用可编程数字投影仪有周期开启和关闭投影照明等方式实现的有频率特征的闪光照明投影方式。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说同步频闪光源，是指用光控、声控等检测装置检测运动物体的运动周期、频率或速度，再用该信号实时同步驱动光源发光照明面结构模板，获得实时的运动物体表面的变形条纹分布；所说的固定周期频率的频闪光源，是指通过计算机编程方法产生的固定频率的频闪光源，用该频闪光源定时照明面结构模板以获得相同或不同时间间隔的运动物体表面的变形条纹分布图。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的被投影面结构调制模板，包括正弦光栅、罗奇光栅、散斑等二维点或线编码模板。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说对获得的运动物体的变形光场进行处理，是利用傅里叶变换轮廓术的方法对变形条纹进行傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换和相位展开等处理和操作，旨在通过解调相位方法获取物体的面形分布，也包括是利用空间位相检测方法对变形光场进行处理，获取物体的面形分布。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于运用频闪照明，研究运动物体的瞬间状态，进行模式识别或提取运动物体表明的某些特征参数，如面形、变形量、应变、恢复扭转角、特征点姿态等。

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