CN107063128A - 一种双频相移三维测量方法及*** - Google Patents

一种双频相移三维测量方法及*** Download PDF

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刘胜德
潘麦铭成
陈泽雄
陈观文
王妍
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Abstract

本发明提供一种双频相移三维测量方法及***，所述测量方法包括使用计算机生成两组频率不同的相移投影条纹，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍，C1为设定量程对低频周期T1的倍数，并分别将所述投影条纹投影在被测物体的表面，然后通过四步相移求解得到包裹相位，利用确定的数学关系得到绝对相位，实现解包。本发明提供的双频相移三维测量方法及***能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。

Description

一种双频相移三维测量方法及***
技术领域
本发明涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种双频相移三维测量方法及***。
背景技术
目前，基于光栅投射的光学三维测量仪主要由投影***、图像获取***和信息处理***组成：投影***由白光光源、聚光镜组、投影透镜、正弦光栅模板和相移器组成，用于产生正弦光栅并将其投射在物体表面；图像获取***主要由高分辨率CCD摄像机、摄像平台和摄像镜头组成，获取物体表面的光栅变形图像后传给信息处理***；信息处理***主要是计算机和相关的算法从变形条纹中获取包裹相位信息，再用解包裹技术获取代表待测物体高度信息的相位，进而映射物体高度，将待测物体三维重建和信息输出。
双频相移三维测量仪采用的解包裹技术主要有双频外差法和查表法，双频外差法对相位误差要求严格，算法中包含除法项扩大了误差，不能保持相移技术所获得的包裹相位精度，在应用时误差容忍度小于查表法。查表法利用相位差与周期的关系制成“相位差”→“周期编号”映射表，通过查表直接求得该位置(像素)周期编号，加上包裹相位值后获得真实相位。然而，在判定周期编号时，由映射表各值的分布间距形成容差，由于不规则分布，通常容差总是太小，使得判定周期编号非常困难导致判定错误。只有在***信噪比非常高的情况下才能适用，实际使用受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中查表法容差小、容易导致在确定条纹编号时出现差错的技术问题。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：
一种双频相移三维测量方法，其包括以下步骤：
使用计算机生成两组频率不同的相移投影条纹，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍，C1为设定量程对低频周期T1的倍数，并分别将所述投影条纹投影在被测物体的表面；
利用CCD相机采集相移条纹照片；
利用MATLAB软件分析条纹的相移信息，通过四步相移求解得到包裹相位φ1，φ2；
利用对两个包裹相位φ1，φ2归一化得到其中φ(x，y)是包裹相位值；
利用“固有的条纹周期编号组合”这一关系，建立一个条纹周期编号组合表；
查表得到包裹相位差的对应周期编号组合，获得条纹周期数；以及
利用条纹周期与包裹相位之间的数学关系得到绝对相位，实现解包。
本发明的一个实施例中，所述相移器由计算机通过D/A接口板自动控制输出电压幅度，电路设计为闭环控制电路，采用步进电机产生位移。
本发明的一个实施例中，进一步包括：通过三角测距法还原所述被测物体的实际高度。
一种双频相移三维测量***，包括：CCD相机，用于采集信息；投影***，包括：白光光源、光栅对、相移器以及聚光镜组，其中，白光光源用于产生白光，相移器用于使光栅对产生四步相移，聚光镜组用于扩散白光光源发出的光，光栅对用于产生条纹，光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍，C1为设定量程对低频周期T1的倍数；被测物体平台，用作投影条纹的平台；以及计算机，用于负责被测物体的相位分析和三维重建，并控制相移器的移动。
相较于现有技术，本发明设计的双频相移三维测量方法及***能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的双频相移测量***的示意图。
图2是是本发明第二实施例提供的双频相移三维测量方法使用CCD相机拍摄出的相移条纹示意图。
图3是通过四步相移求解得到包裹相位值示意图。
图4是包裹相位差分示意图，其中，图4(a)满足周期关系，形成均匀分布，图4(b)不满足周期关系，形成不均匀分布。
图5是随机取出标准白色平板某一行的相位分布示意图。
图6是三角测距法的示意图。
图7是本发明第二实施例提供的双频相移三维测量方法流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明第一实施例提供的双频相移三维测量***100如图1所示，包括：计算机30(内置相关软件)，CCD相机40，投影***50，以及被测物体平台。计算机30用于负责被测物体200的相位分析和三维重建，并控制相移器的移动。CCD相机40用于采集信息。被测物体平台用作投影条纹的平台。
投影***50至少包括：白光光源，光栅对，相移器，以及聚光镜组。
在一个实施方式中，测量时使用DLP投影仪(BENQ，有效分辨率为800X600)向被测物体投射一组光强呈正旋分布的光栅图像，并使用CCD摄像机(SD1Merrill，有效分辨率为4704×3136)拍摄相移条纹图。
其中，白光光源用于产生白光。光栅对用于产生条纹，相移器用于使光栅对产生四步相移，聚光镜组用于扩散白光光源发出的光。本实施例对一个标准白色平板进行测量，使用的相机是数码单镜反光相机，采用3TM影像传感器，让被摄图像中的红，绿，蓝，的三原主色，各100％完整地吸纳与传感器的每一个像素。本***100通过拍摄的图像12依次获得相位主值13、绝对相位值14，结合预先标定的***参数获得三维点15。
本发明第二实施例提供的双频相移三维测量方法如图7所示，具体地，包括以下步骤：
首先我们在计算机上通过MATLAB软件产生两组四步相移条纹(如图1所示)，条纹周期按照上文提出的条纹周期关系式设置，其中我们使用最优精度条纹作为高频条纹，根据实验设置A＝3，C1＝2，T2＝50由关系式得出T1＝175。投影条纹后，使用CCD相机拍摄出最佳效果的相移条纹图如图2所示，通过四步相移求解得到包裹相位，投影的每一个频率条纹都可以解得带包裹的相位值φ1，φ2，如图3所示。再利用对两个包裹相位可进行归一化得到其中φ(x，y)是包裹相位值。
对于正弦周期定义的摄像机坐标系有：
其中h1(x，y)表示用低频条纹测得的像素位置，h2(x，y)表示用高频条纹测得的像素位置；T1表示低频条纹的周期，T2表示高频条纹的周期；n(x，y)表示低频条纹周期编号，m(x，y)表示高频条纹周期编号；表示低频条纹的归一化相位值，表示高频条纹的归一化相位值。而相机坐标值是一个与条纹编号、包裹相位值以及条纹周期有关的函数。
由于在相同的位置上，h1(x，y)，h2(x，y)表示的都是同一位置物体的高度，因此有：
h1(x，y)＝h2(x，y) (3)
即：
移项可得
此时，可以定义归一化相位差分函数：
同时，定义高低条纹编号差分函数：
δ(n，m)＝nT1-mT2(7)
从(6)、(7)式可见相位差分函数高低条纹编号差分函数δ(n，m)是一一对应的。
在相位解包时，我们首先对高低频的包裹相位相减(如图4b)，可以得到在一段横坐标范围内，存在某一固定的相位差，利用“固有的条纹周期编号组合”这一关系，建立一个条纹周期编号组合表，然后查表得到包裹相位差的对应周期编号组合，获得条纹周期数，再利用条纹周期与包裹相位之间的数学关系得到绝对相位，实现解包。当按照条纹周期关系式设置时可以得到均分的量程，采用高频T2＝50和符合周期关系的低频T1＝175与不符合周期关系的T1＝168进行对比，可以发现，满足周期关系的台阶值在纵坐标上形成均匀分布，如图4(a)所示，进而形成了容差相同并且最大化的目的。而不满足周期分布的台阶值不会形成均匀分布，如图4(b)所示，不能形成容差最大化，使得条纹周期判决困难，导致相位解包裹失败。
随机地取出标准白色平板某一行的相位分布如图5所示。从图中可以看出，使用各像素独立而不依靠相邻像素位置关系解包裹出来的相位成功地恢复出了平板的相位信息。
解包完成后，可以通过常见的三角测距法还原物体的实际高度，请参阅图6，图6是三角测距法的示意图。
其中λ是为光栅截距，即相位变化一周期所对应的长度。
上式是经典光栅投影的高度相位对应关系公式，在满足摄像机、投影仪和参考面三者的对应关系的前提下，通过投影到参考平面X的光栅图像求解出相位值θB。在测量时，由于参考平面X放置被测物体200，光束会因物体表面调制使光栅图像发生变形，通过变形的光栅图像可以求解出相位θA，最后将变形光栅和原始光栅相减，得出物体表面相位差θA-θB带入上式就可以求出该物点的高度，完成从相位到物体高度的转化。
本实施例提供的双频相移三维测量方法及***对满足特定条纹周期关系的光栅对进行投影，能够扩大容差，便于为条纹编号，在硬件信噪比低的条件下也能正常测量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种双频相移三维测量方法，包括以下步骤：
使用计算机生成两组频率不同的相移投影条纹，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍，C1为设定量程对低频周期T1的倍数，并分别将所述投影条纹投影在被测物体的表面；
利用CCD相机采集相移条纹照片；
利用MATLAB软件分析条纹的相移信息，通过四步相移求解得到包裹相位φ1，φ2；
利用对两个包裹相位φ1，φ2归一化得到其中φ(x，y)是包裹相位值；
利用“固有的条纹周期编号组合”这一关系，建立一个条纹周期编号组合表；查表得到包裹相位差的对应周期编号组合，获得条纹周期数；以及
利用条纹周期与包裹相位之间的数学关系得到绝对相位，实现解包。
2.如权利要求1所述的双频相移三维测量方法，其特征在于：所述相移器由所述计算机通过D/A接口板自动控制输出电压幅度，电路设计为闭环控制电路，采用步进电机产生位移。
3.如权利要求1所述的双频相移三维测量方法，其特征在于，进一步包括：
通过三角测距法还原所述被测物体的实际高度。
4.一种双频相移三维测量***，其特征在于，包括：
CCD相机，用于采集信息；
投影***，包括：
白光光源、光栅对、相移器以及聚光镜组，其中，白光光源用于产生白光，相移器用于使光栅对产生四步相移，聚光镜组用于扩散白光光源发出的光，光栅对用于产生条纹，光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍，C1为设定量程对低频周期T1的倍数；被测物体平台，用作投影条纹的平台；以及
计算机，用于负责被测物体的相位分析和三维重建，并控制相移器的移动。
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