CN107726996A - 一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***及方法，属于物体三维测量技术领域。本发明通过在手机闪光灯罩上固定微型光学投影元件，使得开启闪光灯时光学投影元件内置的正弦条纹光栅投影于待测物体表面，同时智能手机采集经待测物体表面调制后得到的变形条纹，并通过数据处理模块处理即可在智能手机显示屏上显示物体的三维面形信息。这一测量***与现有基于条纹投影的三维面形测量***相比，具有经济、便携的优势，并且测量方法还具有操作简单、测量速度快的优势，有利于三维面形测量***在日常生活中的应用。

Description

一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***及方法

技术领域

本发明属于物体三维测量技术领域，特别涉及一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***及方法。

背景技术

随着精密机械加工、汽车制造、精密光学加工、半导体行业、精密仪器制造、模具设计、逆向工程等领域的快速发展，传统的二维测量设备已不能满足日趋现代化、自动化的生产要求，三维测量技术应运而生。目前对物体的三维面形测量主要有接触式三坐标测量仪、光学扫描、干涉仪等。但是，接触式三坐标机测量时间相当长(通常数小时以上)，而且可能破坏待测物体表面，干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体，且测量条件、环境要求苛刻，测量范围非常的小。

基于条纹投影的三维测量方法成为了近年来人们最为关注的三维面形测量方法之一。因为这一方法具有快速、精度较高、***成本低、测试条件要求低等优势，所以在工业精密零部件加工与制造、手机模型的检测、半导体电路加工质量的检测、逆向工程等领域起着非常重要的作用。这一方法一般是通过投影仪将结构光条纹图投影在待测物体表面，然后由相机记录下待测物体表面的变形图样，再经相位解调等步骤得到变形条纹的相位分布，计算出被测物体的三维高度信息，因此具有速度快、精度高、非接触、易操作的特点。然而传统基于条纹投影的三维测量***由于需要相机、投影仪及计算机等设备，无法实现便携，并且操作过程比较复杂，使得其应用十分局限，无法在广大的消费群体中推广。同时，伴随着电商行业的发展和日益增长的个性化定制需求，普通消费者用户希望能够使用的简易三维面形测量装置，比如：对面部、手、脚进行粗略的三维测量，进而对个性化定制眼镜框架、线上选购手套、皮鞋等物件提供参考。消费者对于物体三维面形测量***的便携性和操作简易性的需求显得越来越重要。因此，亟需寻找一种能解决目前三维面形测量***存在便携性差和操作复杂的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：本发明采用一部带有闪光灯的智能拍照手机和安装在手机闪光灯上的微型光学幻灯投影元件构建得到经济、便携的物体三维面形信息测量***，并且运用这一测量***获取三维面形信息的还具有操作简单、测量速度快的优势，有利于三维面形测量***在日常生活中的应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面本发明提供一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***，其特征在于：包括具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，所述智能手机上还具有微型光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像，微型光学幻灯投影元件紧贴在手机闪光灯罩上，开启闪光灯能够使得正弦条纹投影并完全覆盖在待测物体表面，图像采集模块能够采集待测物体表面调制后得到的变形条纹图像，经数据处理模块处理即能够在智能手机显示屏上显示测量得到物体表面的三维面形信息。进一步地，待测物体表面、光学投影元件和手机摄像头在空间上的位置满足反射定律。

另一方面本发明还提供一种基于条纹投影测量物体三维面形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：组装测量***；

选择具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，在智能手机闪光灯罩上安装光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像；

步骤B：采集图像；

调整手机位置使得摄像头正对待测物体表面，定义手机摄像头和待测物体表面之间的距离为L，定义手机摄像头中心与闪光灯中心的距离为d；开启闪光灯使得微型幻灯关学投影元件将其内正弦条纹投影到待测物体表面，而后采集得到经待测表面调制后得到的变形条纹图像；

步骤C：图像数据处理；

通过智能手机数据处理模块进行相位解调得到变形条纹的相位并进行相位展开，根据相位高度映射关系求得高度值，即可得到物体表面的三维面形信息。

进一步地，本发明中图像数据处理具体如下：

所述步骤B中正弦条纹的表达式如下：

I₀(x,y)＝A+Bcos(2πf₀x)

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率；

则采集得到变形条纹图像表达式采用如下表示：

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率，表示经待测物体表面调制后引入的附加相位；

采用傅里叶变换调解变形条纹相位得到如下表达式：

式中：为解调出的变形条纹相位，I_m表示取虚部运算符，F^*(x,y)为F(x,y)的共轭，而后进行相位展开即可得到如下所示的相位高度映射关系式：

式中：L为手机摄像头和待测物体表面之间的距离，d为手机摄像头中心与闪光灯中心的距离，表示经待测物体表面调制后引入的附加相位；至此即获得物体的三维面形信息。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供基于智能手机的便携式物体三维面形测量***，通过在手机闪光灯罩上固定光学投影元件使得开启闪光灯时光学投影元件内置的正弦条纹光栅投影于待测物体表面，同时智能手机采集经待测物体表面调制后得到的变形条纹，并通过数据处理模块处理即可在智能手机显示屏上显示物体的三维面形信息。由此可以看出，本发明提供的三维面形测量***具有小型化、操作简易、经济、便携的优势，有利于三维面形测量***在日常生活中的应用；并且本发明提供的***仅需一帧图像即可完成测量，与传统多步相移法测量物体三维面形相比，更具时间成本低和测量速度快的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于智能拍照手机测量物体三维面形的流程图。

图2是本发明实施例提供的物体三维面形测量***中光学投影元件与手机摄像头和闪光灯的位置示意图；图中：1为智能手机，2为手机摄像头，3为微型幻灯光学投影元件，31为透镜，32为正弦条纹光栅，4为手机闪光灯。

图3是本发明实施例提供的一种基于条纹投影测量物体三维面形的***与待测物体表面之间的结构示意图；图中：1为智能手机，2为手机摄像头，3为微型幻灯光学投影元件，4 为手机闪光灯，5为参考平面。

图4是本发明实施例提供的物体三维面形测量***中光学投影元件内置打印有正弦条纹图的透明胶片。

图5是本发明实施例提供的物体三维面形测量***中手机摄像头拍摄到经物体表面面形调制的变形条纹图。

图6是经本发明实施例得到人脸面具表面的三维面形信息图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的原理和特性进行详细说明：

实施例：

本实施例中以一个人脸面具为例，通过采用本发明提供的三维面形测量***测量人脸面具的三维面形信息。

如图1所示为本发明具体实施例的操作流程图，具体的测量步骤如下：

S1：搭建如图3所示的测量***，测量***包括：具有图像采集模块的智能手机1，其具有手机闪光灯4，其特征在于：还包括：安装在手机闪光灯罩上的微型光学幻灯投影元件3，所述微型光学幻灯投影元件3内置有透镜31和透明胶片，所述透明胶片打印有正弦条纹光栅 32；

S2：然后将待测物体置于参考平面5上，将手机摄像头2正对人脸面具，开启手机闪光灯4使得微型幻灯将正弦条纹光栅32投影到待测物体表面，调整手机位置使整个人脸面具均在手机摄像头2视场范围内，且投影出的正弦条纹图能够布满整个人脸面具，如图5所示；如图2所示，定义此时手机摄像头2和待测物体表面之间的距离为L，定义手机摄像头2中心与手机闪光灯4中心的距离为d；

S3：手机摄像头2采集经待测物体表面调制后得到的变形条纹图像；通过手机摄像头2 采集经待测物体表面面形调制的变形条纹图，其光强表达式为：

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率，表示与待测物体表面面形相关的相位，即经待测物体表面调制引入的附加相位；

S4：手机摄像头采集放置在参考平面上刻度尺图像进行简易横向标定，具体操作如下：

将人脸面具取下，并在参考平面5上平行放置一把刻度尺，手机摄像头采集一幅刻度尺图像，通过刻度尺显示的物理尺寸和其在图像中包含的像素点数求出单像素点代表的物理尺寸，相当于简易的横向标定，单像素点物理尺寸与像素点数相乘即可求得物体长宽值。假设刻度尺刻度部分为L₀,包含像素点数为M，则单像素点代表物理尺寸dim为：

S5：图像数据处理；

图像数据处理均在手机端进行：

假设物体长宽包含的像素点数分别为N₁，N₂，则物体长度值H和宽度值W分别为：

采用基于傅里叶变换法解调变形条纹相位，首先对变形条纹光强进行傅里叶变换得到其频谱，然后通过带通滤波器将频谱中的一个基频分量提取出来，再对这一基频分量进行逆傅里叶变换，逆傅里叶变换后的矩阵为F(x,y)，则变形条纹的相位采用如下表达：

式中：为解调出的变形条纹相位，Im表示取虚部运算符，F^*(x,y)为F(x,y)的共轭；

因为解调出的相位是截断的，因此需要对其进行相位展开；相位展开操作为本领域公知常识，本发明在此不再赘述；

由此即可得到相位高度映射关系表达式为：

式中：d为手机摄像头到参考平面的距离，L为手机闪光灯中心与相机镜头中心的间距，为所求得与物体表面面形相关的相位与参考相位间的相位差，通过该式求出高度值，至此即可得到如图6所示的物体三维面形信息。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***，其特征在于：包括具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，所述智能手机上还具有微型光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像，微型光学幻灯投影元件紧贴在手机闪光灯罩上，开启闪光灯能够使得正弦条纹投影并完全覆盖在待测物体表面，图像采集模块能够采集待测物体表面调制后得到的变形条纹图像，经数据处理模块处理即能够在智能手机显示屏上显示测量得到物体表面的三维面形信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量***，其特征在于，待测物体表面、微型光学幻灯投影元件和手机摄像头在空间上的位置满足反射定律。

3.一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：组装测量***；

选择具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，在智能手机闪光灯罩上安装光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像；

步骤B：采集图像；

调整手机位置使得手机摄像头正对待测物体表面，定义手机摄像头和待测物体表面之间的距离为L，定义手机摄像头中心与闪光灯中心的距离为d；开启闪光灯使得微型幻灯关学投影元件将其内正弦条纹投影到待测物体表面，而后采集得到经待测表面调制后得到的变形条纹图像；

步骤C：图像数据处理；

通过智能手机数据处理模块进行相位解调得到变形条纹的相位并进行相位展开，根据相位高度映射关系求得高度值，即可求得物体表面的三维面形信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量方法，其特征在于，图像数据处理具体如下：

所述步骤B中正弦条纹的表达式如下：

I₀(x,y)＝A+Bcos(2πf₀x)

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率；

则采集得到变形条纹图像表达式采用如下表示：

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率，表示经待测物体表面调制后引入的附加相位；

采用傅里叶变换调解变形条纹相位得到如下表达式：

式中：为解调出的变形条纹相位，I_m表示取虚部运算符，F^*(x,y)为F(x,y)的共轭，而后进行相位展开即可得到如下所示的相位高度映射关系式：

式中：L为手机摄像头和待测物体表面之间的距离，d为手机摄像头中心与闪光灯中心的距离，表示经待测物体表面调制后引入的附加相位；至此即获得物体的三维面形信息。