CN105953746A - 动态物体的三维轮廓实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态物体的三维轮廓实时测量方法，根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，根据所述相移彩色条纹图确定测量相位，并且根据去包裹方法对所述测量相位进行相位展开，最后根据相位‑高度一一对应性以及相位‑高度查找表进行三维重建。本发明实现高精度深度测量，实现测量***高速数据处理，从而进行高精度的动态物体三维轮廓实时测量；将为动态复杂物体三维测量开拓新途径，有望实现设备状态动态监控和实时测量，能够大大提高在线工业检测(闭环质量控制)、机器人技术(精确导航)、动态目标三维测量(旋转叶片，人脸表情)的技术水平。

Description

动态物体的三维轮廓实时测量方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种动态物体的三维轮廓实时测量方法。

背景技术

高精度、高速动态物体三维测量技术可以快速获取零部件的三维特征、形状尺寸、工作姿态等重要信息，并可将其测量结果反馈给制造过程，以改进加工质量、加工精度，因此其技术在质量检测、工况下零部件三维形状测量、变形或振动分析等工业场合有着大量的需求。如，航空发动机叶片、汽轮机叶片、风机叶片等重要部件，在工况下会产生变形，从而极大地影响机械设备工作性能，而且当变形超过一定阈值时会引发其自身的材料失效、断裂，并造成严重的安全事故。

如果能获得零部件在工况下的瞬时全场三维形貌，通过对瞬态全场三维变形分析，监控工件的实时全场三维应变、应力分布以及形变异常，可实现工件故障实时检测和预警，同时也有助于产品的优化设计和制造，然而目前大多数商业化的3D轮廓测量***由于使用了投影仪，体积庞大、价格昂贵，同时必须进行gamma校正，否则会极大地降低的三维测量精度，DLP投影仪由于采用了光学积分原理(整个积分过程持续数毫秒)，在动态测量场合数据采集较慢。基于LCD投影仪的条纹投影轮廓术，受LCD投影仪最大投射帧率(120HZ)限制，其测量速度难以进一步提高。由于明显不同于静态三维测量，动态三维测量数据采集和处理要求苛刻，均需在极短的时间完成，且要求足够的精度。迄今为止，还没有一种方法和测量仪器可以完全胜任这些需求。因此发展一种同时具有高精度、高速的特性且测量***结构紧凑、价格便宜的动态物体三维轮廓测量***仍充满了巨大挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种动态物体的三维轮廓实时测量方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种动态物体的三维轮廓实时测量方法，该方法为：根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，根据所述相移彩色条纹图确定测量相位，并且根据去包裹方法对所述测量相位进行相位展开，最后根据相位-高度一一对应性以及相位-高度查找表进行三维重建。

上述方案中，所述相位-高度查找表的建立方法为：通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，并且采集在整个测量高度范围内移动的参考面的条纹图；根据所述条纹图确定每次移动参考面后的参考面相位，并展开包裹相位；根据参考面移动的高度分布和对应的相位建立相位-高度查找表。

上述方案中，所述相位-高度查找表的建立方法所述相位-高度查找表的建立方法，具体为：首先加工一块平面板，与理想平面最大误差不超过20微米，作为标定板，将所述标定板置于测量空间的参考面位置；通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，投射正弦条纹图，并使用摄像机记录该正弦条纹图；然后应用精密位移台带动标定板在测量空间沿z轴以等步长小位移的方法移动一系列位置，移动范围为***的测量深度范围，同样记录相应位置的条纹图，然后应用随机相移算法解调当前位置的相位，应用典型的相移算法展开其相位，并应用链表数据格式将移动的各深度与其对应的相位存储，即建立相位‐高度查找表。

上述方案中，所述根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，具体为：在单次拍摄条件下摄取复色条纹图，把所述摄取的复色条纹分离形成单色条纹图，并进行颜色串扰校正，获得用于解调物体表面形貌的相移彩色条纹图。

上述方案中，把所述摄取的复色条纹分离形成单色条纹图，并进行颜色串扰校正，具体为：使用如下色彩恢复模型

$\left[\begin{array}{c}{f}_R^{\′}(x,y)\\ f_G^{\′}(x,y)\\ f_B^{\′}(x,y)\end{array}\right]=M_{ref}{M}_{bal}{M}_{cou}\left[\begin{array}{c}{f}_R^C(x,y)\\ f_G^C(x,y)\\ f_B^C(x,y)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，f_i′(x,y),i＝R,G,B为颜色解耦、色彩平衡及反射率归一化后的各颜色通道条纹图，M_ref、M_bal、M_cou分别表示各颜色光线相对反射率矩阵、色彩平衡矩阵及颜色耦合矩阵，通过典型的标定方法获得，且有：

$\begin{array}{cc}{M}_{ref}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& P_{GR}(x,y)& 0\\ 0& 0& P_{BR}(x,y)\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{bal}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& Q_{GR}\left(f_G^C\right(x,y))& 0\\ 0& 0& Q_{BR}\left(f_B^C\right(x,y))\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{cou}=\left[\begin{array}{ccc}1& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y))& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y))\\ C_{GR}\left(f_G^C\right(x,y))& 1& C_{GB}\left(f_G^C\right(x,y))\\ C_{BR}\left(f_B^C\right(x,y))& C_{BG}\left(f_B^C\right(x,y))& 1\end{array}\right].& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(4\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过配置两个红、蓝光源同时照射实栅为测量空间投射相移条纹图，将相移过程与高速CMOS摄像机的采集过程同步起来，在单次拍摄下快速采样相移条纹图数据，把相移技术思想应用于相位解调过程中，利用相位-高度的一一对应性，通过建立查找表对测量结果进行校正，实现高精度深度测量，实现测量***高速数据处理，从而进行高精度的动态物体三维轮廓实时测量；将为动态复杂物体三维测量开拓新途径，有望实现设备状态动态监控和实时测量，能够大大提高在线工业检测(闭环质量控制)、机器人技术(精确导航)、动态目标三维测量(旋转叶片，人脸表情)的技术水平；

2、本发明与数字条纹投影法相比，由于没有使用投影仪，节省了结构空间，其结构可以做的更紧凑，相移过程仅通过增加光源完成，因此本发明的测量装置结构简单、价格便宜；

3、本发明将被测物体置于测量空间，通过发展的虚拟仪器，完成相关初始化设置后，一次可以自动完成测量，也可进行远距离测量。

4、本发明不需要光源的一致性，对环境要求低，适用于工业场合的测量需要。

5、本发明运用随机相移技术进行相位解调，利用相位—高度一一对应性，直接通过查找表进行相位-高度转换，实现其中的测误差校正，并降低测量装置精度要求。

6、本发明的数据采集速度快，采集速度即为摄像机帧率，能够通过该方法对动态物体表面形貌进行实时测量，能够自动、高精度完成被测物体表面形貌测量，为实现工况下机械设备关键零部件变形监控等打下基础。

附图说明

图1为应用本发明实施例的测量装置示意图；

图2为本发明实施例提供一种动态物体的三维轮廓实时测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种动态物体的三维轮廓实时测量方法，该方法为：根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，根据所述相移彩色条纹图确定测量相位，并且根据去包裹方法对所述测量相位进行相位展开，最后根据相位-高度一一对应性以及相位-高度查找表进行三维重建。

所述相位-高度查找表的建立方法为：通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，并且采集在整个测量高度范围内移动的参考面的条纹图；根据所述条纹图确定每次移动参考面后的参考面相位，并展开包裹相位()；根据参考面移动的高度分布和对应的相位建立相位-高度查找表。

具体为：首先加工一块平面板，如其大小为50mmX50mm，与理想平面最大误差不超过20微米，作为标定板，将所述标定板置于测量空间的参考面位置；通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，投射正弦条纹图，并使用摄像机记录该正弦条纹图；然后应用精密位移台带动标定板在测量空间沿z轴以等步长小位移的方法移动一系列位置，如移动步长1微米，移动范围为***的测量深度范围，同样记录相应位置的条纹图，然后应用随机相移算法解调当前位置的相位，应用典型的相移算法展开其相位，并应用链表数据格式将移动的各深度与其对应的相位存储，即建立相位-高度查找表。

所述根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，具体为：在单次拍摄条件下摄取复色条纹图，把所述摄取的复色条纹分离形成单色条纹图，并进行颜色串扰校正，获得用于解调物体表面形貌的相移彩色条纹图。

使用MatlaB软件将复色条纹图分解成单身条纹图，颜色串扰校正的方法为：使用如下色彩恢复模型

$\left[\begin{array}{c}{f}_R^{\′}(x,y)\\ f_G^{\′}(x,y)\\ f_B^{\′}(x,y)\end{array}\right]=M_{ref}{M}_{bal}{M}_{cou}\left[\begin{array}{c}{f}_R^C(x,y)\\ f_G^C(x,y)\\ f_B^C(x,y)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，f_i′(x,y),i＝R,G,B为颜色解耦、色彩平衡及反射率归一化后的各颜色通道条纹图，M_ref、M_bal、M_cou分别表示各颜色光线相对反射率矩阵、色彩平衡矩阵及颜色耦合矩阵，可以通过典型的标定方法获得，且有：

$\begin{array}{cc}{M}_{ref}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& P_{GR}(x,y)& 0\\ 0& 0& P_{BR}(x,y)\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{bal}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& Q_{GR}\left(f_G^C\right(x,y))& 0\\ 0& 0& Q_{BR}\left(f_B^C\right(x,y))\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{cou}=\left[\begin{array}{ccc}1& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y))& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y))\\ C_{GR}\left(f_G^C\right(x,y))& 1& C_{GB}\left(f_G^C\right(x,y))\\ C_{BR}\left(f_B^C\right(x,y))& C_{BG}\left(f_B^C\right(x,y))& 1\end{array}\right].& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(4\right).$

具体地，假设A_k(x,y)为背景，B_k(x,y)为调制项，φ_k(x,y)为相位，k＝1,2为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：

I_k(x,y)＝A_k(x,y)+B_k(x,y)cos[φ_k(x,y)]

根据上式，本发明的相位解调方法为：

首先应用二维经验模式分解方法(BEMD)将条纹图进行分解，去掉条纹图的高频模式分量和趋势项，对条纹图进行重建得：

$\stackrel{\‾}{I_k}=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{1}cos\left({\mathrm{\φ}}_1\right)& ......B_{1}cos\left({\mathrm{\φ}}_m\right)& ......B_{1}cos\left({\mathrm{\φ}}_n\right)\\ B_{2}cos({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)& ......B_{2}cos({\mathrm{\φ}}_m+{\mathrm{\δ}}_m)& ......B_{2}cos({\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\δ}}_n)\end{array}\right]$

式中n为像素点数。

为规范化上式中的振幅

$I\stackrel{\&OverBar;}{n_k}=\stackrel{\&OverBar;}{I_k}/\sqrt{<\stackrel{\&OverBar;}{I_k},\stackrel{\&OverBar;}{I_k}>},k=1,2$

式中尖方框表示内积运算，最后对上面校正后的条纹图应用二帧相移算法，便可提取测量相位。

因此如果应用随机法可得测量相位，对测量相位展开，然后根据相位-高度一一对应性，通过查找表把相位映射至测量空间。

本发明实施例提供一种动态物体的三维轮廓实时测量方法，具体通过以下步骤实现：

步骤一：将参考面置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的彩色相移条纹；

步骤二：运用精密位移台以小单位(如0.001mm)在整个测量高度范围内移动参考面，并记录每次移动后产生的条纹图；

步骤三：根据记录的条纹图计算每次移动参考面后的参考面相位，并展开包裹相位；

步骤四：根据移动的高度分布和对应的相位建立相位-高度查找表；

步骤五：将测量物体置于测量空间，根据物体高度变化同步信号，投射相移彩色条纹图，并记录；

步骤六：根据拍摄的条纹图计算相位，并运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开；

步骤七：根据相位-高度一一对应性，运用查找表进行三维重建，完成本次测量任务，如需继续测量，重复步骤四至步骤七。

实施例：

本发明实施例应用于如图1所示的装置，采用多线程并行计算方法进行实时处理，将单纯的数值计算和对每个像素都进行的相同运算的操作，移交给与计算机图像处理单元(GPU)，利用GPU强大的浮点计算和并行处理能力加快数据处理过程，最后以Labwidow操作平台，把光栅位置调制、光源控制、数据采集与处理等模块集成起来，形成虚拟测量仪器，实现测量过程控制，使得整个测量过程自动化。

参见图1，CCD的光轴垂直于光栅面，两个光源等间距布置，CCD光学中心和光源中心置于距离光栅平面L的距离，第一个光源与摄像机中心距离为d。具体步骤是：

一、将物体置于测量空间，开启光源，使用摄像机记录产生的复色条纹图；

二、在计算机对复色条纹进行分离，进行颜色串扰校正，形成单色条纹图；

三、运用条纹正则化的方法去除条纹背景和振幅，消除光源移动对测量的影响；

四、运用随机相移法进行相位提取。

五、展开相位，根据相位高度一一对应性，通过查找表完成相位高度的映射。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种动态物体的三维轮廓实时测量方法，其特征在于，该方法为：根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，根据所述相移彩色条纹图确定测量相位，并且根据去包裹方法对所述测量相位进行相位展开，最后根据相位-高度一一对应性以及相位-高度查找表进行三维重建。

2.根据权利要求1所述的动态物体的三维轮廓实时测量方法，其特征在于：所述相位-高度查找表的建立方法为：通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，并且采集在整个测量高度范围内移动的参考面的条纹图；根据所述条纹图确定每次移动参考面后的参考面相位，并展开包裹相位；根据参考面移动的高度分布和对应的相位建立相位-高度查找表。

3.根据权利要求1所述的动态物体的三维轮廓实时测量方法，其特征在于，所述相位-高度查找表的建立方法所述相位-高度查找表的建立方法，具体为：首先加工一块平面板，与理想平面最大误差不超过20微米，作为标定板，将所述标定板置于测量空间的参考面位置；通过红、蓝光源对置于测量空间的参考面进行照射，投射正弦条纹图，并使用摄像机记录该正弦条纹图；然后应用精密位移台带动标定板在测量空间沿z轴以等步长小位移的方法移动一系列位置，移动范围为***的测量深度范围，同样记录相应位置的条纹图，然后应用随机相移算法解调当前位置的相位，应用典型的相移算法展开其相位，并应用链表数据格式将移动的各深度与其对应的相位存储，即建立相位‐高度查找表。

4.根据权利要求1或2所述的动态物体的三维轮廓实时测量方法，其特征在于，所述根据置于测量空间的测量物体高度变化同步信号投射相移彩色条纹图，具体为：在单次拍摄条件下摄取复色条纹图，把所述摄取的复色条纹分离形成单色条纹图，并进行颜色串扰校正，获得用于解调物体表面形貌的相移彩色条纹图。

5.根据权利要求4所述的动态物体的三维轮廓实时测量方法，其特征在于，把所述摄取的复色条纹分离形成单色条纹图，并进行颜色串扰校正，具体为：使用如下色彩恢复模型

$\left[\begin{array}{c}{f}_R^{\&prime;}(x,y)\\ f_G^{\&prime;}(x,y)\\ f_B^{\&prime;}(x,y)\end{array}\right]=M_{ref}{M}_{bal}{M}_{cou}\left[\begin{array}{c}{f}_R^C(x,y)\\ f_G^C(x,y)\\ f_B^C(x,y)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，f′_i(x,y),i＝R,G,B为颜色解耦、色彩平衡及反射率归一化后的各颜色通道条纹图，M_ref、M_bal、M_cou分别表示各颜色光线相对反射率矩阵、色彩平衡矩阵及颜色耦合矩阵，通过典型的标定方法获得，且有：

$\begin{array}{cc}{M}_{ref}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& P_{GR}(x,y)& 0\\ 0& 0& P_{BR}(x,y)\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(2\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{bal}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& Q_{GR}\left(f_G^C\right(x,y\left)\right)& 0\\ 0& 0& Q_{BR}\left(f_B^C\right(x,y\left)\right)\end{array}\right],& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{cou}=\left[\begin{array}{ccc}1& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y\left)\right)& C_{RG}\left(f_R^C\right(x,y\left)\right)\\ C_{GR}\left(f_G^C\right(x,y\left)\right)& 1& C_{GB}\left(f_G^C\right(x,y\left)\right)\\ C_{BR}\left(f_B^C\right(x,y\left)\right)& C_{BG}\left(f_B^C\right(x,y\left)\right)& 1\end{array}\right].& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(4\right).$