CN104697468A - 基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，由倾斜正弦条纹编码原理、倾斜相位条纹编码原理、及三维测量原理三大关键部分组成。本发明的优点是：（1）由于基于相位编码的方式相比基于强度编码的方式而言,其对被测物体表面的对比度、环境光、相机噪声等不太敏感，鲁棒性好，因此，该方法能够测量表面明暗程度不同的物体。（2）由于投影仪和CCD相机平行放置时，当投影传统的水平(或竖直)正弦条纹时,并不能获得最佳的测量效果。因此，设计随意改变角度的倾斜条纹能够有助于探索最优的测量效果，能提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种关于相位编码条纹的三维测量方法，属于光电检测领域,尤其涉及基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法。
背景技术
条纹投影轮廓术因其高速、高精度、非接触、全场测量、快速信息获取等优点，在三维测量中有重要意义，已广泛应用于工业制造、文物保护、医疗等诸多领域。本发明的三维测量***如图1所示，包括DLP投影仪1、CCD2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；DLP投影仪1和CCD2放在测量支架4上；DLP投影仪1、CCD2分别通过数据线连接工作站3；待测物体6放在参考平面5上；工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体6表面，由CCD2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪1光轴和CCD2光轴相交于O点。DLP投影仪1和CCD2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l 0 。被测物体6的高度计算公式为：
（1）
其中为参考平面上的正弦条纹在竖直方向上的分频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
随着科技的发展，人们对光学的方式测量物体的三维数据要求不断提高，重建精度的要求越来越高。通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，国内外研究者开始对条纹的类型、反射率、强度、对比度等进行研究，以期扩大测量对象的范围，以及解决测量结果不理想的问题。由于基于相位编码的方式相比基于强度编码的方式而言,其对被测物体表面的对比度、环境光、相机噪声等不太敏感，鲁棒性好，因此，基于相位的编码方式的相位编码条纹可以用于测量表面具有不同明暗程度的物体，扩大了测量对象的范围；同时，实验发现：以往单纯的水平正弦条纹(或竖直正弦条纹）并不能使测量结果达到最优，投影仪和CCD的倾斜角度同样会影响测量结果。因此，由正弦条纹加相位编码条纹的投影方式，同样具有最佳的条纹倾斜角度。当然，直接进行改造投影仪和CCD的支架，使其能够自由旋转方向，调整角度，这样，计算机中生成的条纹就机械性的倾斜了角度，但是这样改造难以实现精确改变角度，而且改造成本高。因此，在软件上制作倾斜条纹既能实现精确调整角度，而且不需要改变原有的测量结构。本发明就是基于以上思路产生的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，此方法能够测量表面明暗程度不同的物体，而且能提供测量物体时的最佳的条纹倾斜角。
本发明是基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，其特征是：倾斜正弦条纹编码原理和倾斜相位编码条纹编码原理。
（1）倾斜的正弦条纹：相比于传统的水平或竖直条纹，倾斜的正弦条纹在水平和竖直方向的频率都发生了改变，而且这种改变跟倾斜角度和周期的个数有关，因此，在编程上需要确定这两者的关系。其具体思路是：首先规定竖直方向的周期个数M，然后，根据三角函数，用公式设置条纹的倾斜角 (其中，m是竖直方向一个周期的像素数；n是水平方向一个周期的像素数)，在水平方向像素给定的情况下，可以确定水平方向的周期个数。最后将水平和竖直方向的周期转换为频率，嵌入到正弦强度中，得到倾斜的正弦条纹。
（2）倾斜的相位编码条纹：相位编码条纹的编码相位并不是如正弦条纹（一般都需要多个周期数）一样分布，其在水平或竖直方向只有一个周期数，因此，在编码方法上与倾斜的正弦条纹不一样，其具体思路是：根据计算机中相移的倾斜正弦条纹来反演计算得到截断相位，通过记数每列（行）的截断相位个数来确定条纹级数的个数，将条纹级次分布到一个周期的相位中，从而得到每列（行）编码相位，最后将这些编码相位嵌入到正弦强度中，得到倾斜的相位编码条纹。
本发明的优点是：（1）由于基于相位编码的方式相比基于强度编码的方式而言,其对被测物体表面的对比度、环境光、相机噪声等不太敏感，鲁棒性好，因此，该方法能够测量表面明暗程度不同的物体。（2）由于投影仪和CCD相机平行放置时，当投影传统的水平(或竖直)正弦条纹时,并不能获得最佳的测量效果。因此，设计随意改变角度的倾斜条纹能够有助于探索最佳测量效果。（3）由于倾斜正弦条纹和倾斜相位编码条纹在编码方法上是一一对应的形式，而且，倾斜的正弦条纹在水平、竖直方向的强度都是按正弦规律变化，因此，在相位解包裹过程时，可以按照水平、竖直两个方向来求解，使准确求解连续相位信息的可能性增加。
附图说明
图1为本发明的三维测量***示意图。
图2为本发明的倾斜正弦条纹。
图3为本发明的倾斜相位条纹。
图4为本发明的倾斜相位条纹在某列的强度值。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，包括以下步骤：
（1）编写倾斜的正弦条纹： 首先规定竖直方向的周期个数M，根据三角函数，用公式设置条纹的倾斜角 (其中，m是竖直方向一个周期的像素数；n是水平方向一个周期的像素数)，在水平方向像素给定的情况下，可以确定水平方向的周期个数。最后，设置具有相移功能的倾斜正弦条纹，其强度为：
（2）
其中，分别为水平和竖直方向的条纹频率，分别为水平和竖直方向的像素点，为相移步数，为第步的相移量。生成倾斜角为25 0、竖直方向有16个周期的正弦条纹，如图2所示。
（2）编写倾斜相位条纹：以竖直方向为例，在计算机中运算上述理论上的相移倾斜正弦条纹，反演计算得到截断相位，通过记数每个像素点在每列的截断相位个数来确定条纹级数的个数（为每列总的条纹级次），将条纹级次分布到一个周期中的的相位：
（3）
从而得到每列编码相位，然后将这些编码相位嵌入到具有相移功能的正弦公式中，其强度为：
（4）
最终得到倾斜的相位编码条纹。如图3为倾斜的相位编码条纹，图4为相位编码条纹的某一列强度分布。
（3）用投影仪依次投射上述生成的倾斜正弦条纹和倾斜相位条纹于参考面和物体上，用CCD采集这两组图片，送入计算机中。
（4）在计算机中进行三维重建。对参考面上的条纹而言，由倾斜正弦条纹得到截断相位，由倾斜相位编码条纹得到条纹级次，通过解相公式：
（5）
进行相位解包裹，得到参考面的连续相位值。对带物体的变形条纹而言，由倾斜正弦条纹得到截断相位，由倾斜相位编码条纹得到条纹级次，通过解相公式：
（6）
进行相位解包裹，得到物体的连续相位值。通过公式：
（7）
得到连续相位差，从而利用相位-高度公式：
（8）
最后得到物体表面每一点的高度信息。
Claims (2)
1.基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，其特征是：
（1）倾斜的正弦条纹：相比于传统的水平条纹，倾斜的正弦条纹在水平和竖直方向的频率都发生了改变，而且这种改变跟倾斜角度和周期的个数有关，因此，在编程上需要确定这两者的关系；其具体思路是：首先规定竖直方向的周期个数M，然后，根据三角函数，用公式 设置条纹的倾斜角，在水平方向像素给定的情况下，可以确定水平方向的周期个数，最后将水平和竖直方向的周期转换为频率，嵌入到正弦强度中，得到倾斜的正弦条纹；
（2）倾斜的相位编码条纹：相位编码条纹的编码相位并不是如正弦条纹一样分布一般都需要多个周期数，其在竖直方向只有一个周期数，因此，在编码方法上与倾斜的正弦条纹不一样，其具体思路是：根据计算机中相移的倾斜正弦条纹来反演计算得到截断相位，通过记数每列的截断相位个数来确定条纹级数的个数，将条纹级次分布到一个周期的相位中，从而得到每列编码相位，最后将这些编码相位嵌入到正弦强度中，得到倾斜的相位编码条纹。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜相位编码条纹的光学三维测量方法，其特征在于：所述公式中的m是竖直方向一个周期的像素数；n是水平方向一个周期的像素数。
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