CN101655358A - 采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性 - Google Patents

Abstract

本发明是三维传感技术中采用颜色编码的正交复合光栅位相测量轮廓术对物体的三维面形和变形进行实时测量的方法。运用计算机进行设计编码，采用彩色数字投影仪，将颜色编码的面结构调制模板瞬时成像在物体表面上，再用彩色摄像装置记录下颜色编码的物体变形条纹图，随后对条纹图进行颜色解码获取具有2¹⁵给灰度等级的正交复合光栅，使正交复合光栅的动态特性由2⁸位深提高到2¹⁵位深，能够精确地恢复出物体的三维面形，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。本发明可以用于具有漫反射特性的物体表面特征的测量研究。本发明具有测量精度高，响应时间快，能够实时获取物体的三维面形数据等优点。

Description

采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性

一、技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于位相测量轮廓术方法的采用颜色编码的正交复合光栅实现对物体的实时三维面形的测量。

二、技术背景

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、大面积测量、易于自动控制等优点获得广泛的研究和应用。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(MoiréTopography，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，来获得物体的三维面形信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是傅立叶变换轮廓术和位相测量轮廓术。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；但由于其涉及到滤波操作，频谱混叠会降低测量精度，该方法对环境光也比较敏感。位相测量轮廓术则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。基于正交复合光栅的位相测量轮廓术综合了位相测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术的优点，使用一帧条纹就可以重建物体的三维面形，并能达到较高的精度要求；但该方法由于从一帧条纹中提取三帧以上的相移条纹，受到投影***和成像***空间带宽积的限制，解调出来的相移条纹具有较小的灰度动态范围，降低了位相提取和三维测量的精度，应用本发明提及的方法就可以解决这一关键技术难题。

三、发明内容

本发明的目的则是针对对一帧正交复合条纹进行解码相移条纹灰度变化范围较低的缺陷，提出一种在三维传感技术测量中采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性的方法。这种方法能非常好地做到扩大相移条纹的灰度域，实时获得物体表面变形条纹分布的图像信息，具有较高的测量精度，能真正地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：

采用计算机设计编码产生所需要的彩色光栅图案，即对透射光场进行面结构和颜色编码，然后运用彩色数字投影设备将光栅图案投影在物体上，降低了正交复合光栅位相测量轮廓术对***空间带宽积的要求。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明使用颜色编码的正交复合光栅，扩大了相移条纹的灰度域，提高了正交复合光栅位相测量轮廓术的测量精度。

2.同样是获取一帧变形条纹图案，本发明相比傅立叶变换轮廓术具有更高的测量精度；而相比位相测量轮廓术则不需要进行相移，以及不需要采集多帧变形条纹图案。

3.本发明通过计算机软件可以灵活设计所需要的彩色光栅编码，因此可以在很短的时间内得到所需要的光栅图案。

四、附图说明

图1位相测量轮廓术的光路示意图。

图2通过计算机设计编码的彩色正交复合光栅。

图3受到物体面形调制的彩色正交复合光栅变形条纹。

图4用上述技术方案恢复的物体。

五、具体实施方式

下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。

先说明用正交复合光栅位相测量轮廓术实现实时三维面形的测量。用正交复合光栅实现实时三维面形测量的光路与传统的位相测量轮廓术的光路相似。图1是PMP方法的投影光路，P₁和P₂是投影***的入瞳和出瞳，I₂和I₁是成像***的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴的夹角为θ，它们相交于参考平面上的O点，d为探测器光心到投影设备光心之间的距离，l为探测器光心到参考平面之间的距离。

用计算机设计一组满周期等步相移光栅，其投影强度像表示为：

$I_n^0(x,y)=a+b\cos (2\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_{y}y-2\mathrm{\πn}/N),$ (n＝1，2…，N)    (1)

a表示直流偏置，b/a表示条纹对比度，将这组等步相移光栅分别调制在一组载频正弦光栅上，载频光栅的栅线方向和相移光栅的栅线方向垂直，将各个调制成分叠加，得到的正交复合光栅的投影强度像为：

$I^0(x,y)=c+d\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^0(x,y)\·\cos \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\ξ}}_{n}x\right)$ (2)

$=c+d\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[a+b\cos (2\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_{y}y-2\mathrm{\πn}/N)]\·\cos \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\ξ}}_{n}x\right)$

频率ξ_n为载频正弦光栅的频率，c为正交光栅的直流偏置，d/c为条纹对比度。当一帧正交复合光栅图案被投影到物体表面时，不考虑物体的反射率和环境光强度，CCD得到的变形条纹可以表示为：

$I(x,y)=c+d\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[a+b\cos ({2\mathrm{\π\η}}_{y}y+\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)]\·\cos \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\ξ}}_{n}x\right)---\left(3\right)$

其中φ为物体的高度引起的相移光栅条纹的相位变化。对(3)进行二维快速傅里叶变换(FFT)，得到的频谱I_FFT(ξ，η)如下：

$I_{\mathrm{FFT}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\∫\∫I(x,y)e^{-j2\mathrm{\π}(\mathrm{\ξx}+\mathrm{\ηy})}\mathrm{dxdy}$

$=\∫\∫\{c+d\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[a+b\cos (2{\mathrm{\π\η}}_y+\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)]\·\cos \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\ξ}}_{n}x\right)\}{e}^{-j2\mathrm{\π}(\mathrm{\ξx}+\mathrm{\ηy})}\mathrm{dxdy}$

$=\mathrm{c\δ}(x,y)+d\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{1}{2}\mathrm{a\δ}(\mathrm{\ξ}+{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η})+\frac{1}{2}\mathrm{a\δ}(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η})+\frac{1}{4}\mathrm{b\δ}(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_y)e^{j(\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)}$

$+\frac{1}{4}\mathrm{b\δ}(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η}+{\mathrm{\η}}_y)e^{-j(\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)}+\frac{1}{4}\mathrm{b\δ}(\mathrm{\ξ}+{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_y)e^{j(\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)}$

$+\frac{1}{4}\mathrm{b\δ}(\mathrm{\ξ}+{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η}+{\mathrm{\η}}_y)e^{-j(\mathrm{\φ}-2\mathrm{\πn}/N)}\}---\left(4\right)$

式中ξ，η为空间频率，从(4)式可知I(x，y)经过FFT后得到的频谱图中一共有6N+1个的频谱成分，其中cδ(ξ，η)为携带背景信息的零频；含有η_y的才是携带相移信息的频谱。为了能够有效提取出相应的相移光栅，要求尽可能的使各个频谱成分相互独立，没有混叠，因此可通过选择合适的载频光栅的频率来使各个频谱在频谱图中尽量独立。当满足上述条件时，选择适当的滤波器，可从整个频谱中提取第n个相移光栅变形条纹的频谱成分I_FFTn(x，y)：

$I_{\mathrm{FFTn}}=\frac{1}{2}\mathrm{ad\δ}(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η})$

(5)

$=\frac{1}{2}\mathrm{ad\δ}(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_n,\mathrm{\η})$

对(5)进行快速逆傅里叶变换(IFFT)得I_Rn，即：

$I_{\mathrm{Rn}}={\∫\∫I}_{\mathrm{FFTn}}{e}^{j2\mathrm{\π}(\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η})}\mathrm{d\ξd\η}$

I_Rn是一虚数，对I_Rn取模即可解调出一相移光栅变形条纹I_IMAGn：

$I_{\mathrm{IMAGn}}=\left|I_{\mathrm{Rn}}\right|$

可以看出，从相移正交光栅中解调出的相移变形光栅I_IMAGn与用传统的满周期等步位相测量轮廓术直接获取的相移变形光栅像I_n(x，y)只是在强度上有一个倍数关系。因此，可以用传统的位相测量轮廓术的方法对解调后的变形光栅像进行处理，从而获得物体的三维面形分布。

下面说明颜色编码的原理。由于投影***和成像***空间带宽积的限制，从正交复合条纹中分离出来的相移条纹只有少量的灰度级次，相移的次数越多，相移条纹的灰度域越小，这严重地影响了位相提取和三维重建的精度。由于颜色具有较高的动态范围，可以用颜色替代光强对物体的三维信息进行传递，即对正交复合光栅的条纹像进行颜色编码。如果红、绿、蓝三基色的色值范围是[0，255]，即8位bit的数据，理论上讲，彩色数字投影仪总共可以投出2²⁴种颜色，考虑到噪声和彩色摄象机的响应特性，只选取其中2¹⁵种颜色，即取8位bit数据的前5位。将(2)式对应的条纹像强度分成2¹⁵等份，让每一种强度值对应一种颜色，建立查找表。彩色摄象机接收到变形的彩色条纹，根据查找表找到每种颜色对应的光强值，按照传统的正交复合光栅位相测量轮廓术，可以获得物体的三维面形。

图2是用计算机设计生成的彩色正交复合光栅。

图3是受到物体面形调制的彩色正交复合光栅变形条纹。

图4是用上述技术方案恢复的物体。

Claims (5)

1.一种适用于三维重建中采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术动态特性的方法，其特征在于使用数字投影仪器，将经过颜色编码的正交复合光栅的模板图案投影到物体表面，用摄像装置记录下变形的光场图像，对获得的光场图像进行处理从而得到物体瞬时的三维面形分布。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于采用24位位深的RGB颜色编码代替传统的8位位深的灰度编码，并考虑RGB三原色的串扰，实现15位位深颜色编码，有效提高提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的经过颜色编码的正交复合光栅的模板图案，是指运用计算机设计编码的投影面结构调制模板，包括正交调制正弦光栅、正交调制罗奇光栅等编码模板。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的对获得的变形光场图像进行处理，是利用快速傅里叶变换的方法对变形条纹进行颜色解码、傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换、相位提取和展开等处理和操作，目的是通过解调相位的方法获取物体的面形分布，也包括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。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性，研究物体的瞬间状态，进行模式识别或提取物体的某些特征参数，如面形、姿态、变形量、特征点距离等。

Images