CN108317968A - 结构光投影快速测量装置及方法 - Google Patents

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雷浩
淡丽军
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孙忠涵
李伟
成鹏飞
高伟
樊学武
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2531—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object using several gratings, projected with variable angle of incidence on the object, and one detection device

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Abstract

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种结构光投影快速测量装置及方法。测量装置包括相机和布置在相机周围的光学投影***，所述光学投影***包括N个衍射光栅和与衍射光栅一一对应的N个光源，光源投影到光栅后产生正弦图案的相移条纹图；N个衍射光栅产生的N幅相移条纹图之间具有2π/N的相位差，N个光源分别通过同步电路与相机相连。本发明解决了现有的测量设备体积大、质量重且测量速度慢的技术问题。

Description

结构光投影快速测量装置及方法
技术领域
本发明属于光电检测领域，具体涉及一种结构光投影快速测量装置及方法。
背景技术
结构光投影法是全场测量法，有测量速度快、精度高、测量***结构简单、易于实现计算机控制等优点，结构光投影法通过投影***将一组按一定规律分布的结构光条纹图(如正弦条纹)投影到被测物体表面，被测物体的高度对投影条纹的振幅和相位进行了调制，利用成像***采集的变形结构光条纹图，采用一定的算法将变形条纹图中的高度信息解调出来，从而得到物体的三维轮廓。
结构光投影法测量设备多为相机加投影仪的组合，该设备占用较大的空间，体积大，质量重，不方便携带，而且测量速度较慢。
发明内容
本发明目的是提供一种结构光投影快速测量装置及方法，解决了现有的测量设备体积大、质量重且测量速度慢的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种结构光投影快速测量装置，其特殊之处在于：包括相机和布置在相机周围的光学投影***，所述光学投影***包括N个衍射光栅和与衍射光栅一一对应的N个光源，光源投影到光栅后产生正弦图案的相移条纹图；N个衍射光栅产生的N幅相移条纹图之间具有2π/N的相位差，N个光源分别通过同步电路与相机相连。
进一步地，上述衍射光栅的中心设置有全透光圆孔，利用通过此圆孔的光线和标定板信息联立解算相机和衍射光栅的位置和姿态关系，为最终准确求得三维重建结果提供参数。
进一步地，N个衍射光栅相互平行设置。
进一步地，上述光学投影***中的衍射光栅的数量为四个。
进一步地，上述光学投影***呈矩形布置，四个衍射光栅分别位于矩形的四个顶点，所述相机位于矩形的中心。
本发明还提供一种结构光投影快速测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)搭建结构光投影快速测量装置；
2)标定N个衍射光栅与相机之间的距离和角度关系，标定相机的内参数；
3)控制N个光源依次发光，光学投影***向待测物体投影正弦图案的相移条纹图，相机对待测物体进行同步拍照采集得到N幅图像；
4)利用N步相移法求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位；
5)利用相位解包裹技术，将包裹相位恢复为完整的连续的相位；
6)利用步骤2)中的标定结果，将步骤5)得到的相位信息转化为真实的待测物体三维轮廓信息。
进一步地，步骤2)中衍射光栅与相机之间的距离和角度关系的标定方法是：将标定板摆放若干不同位置和姿态，同时记录衍射光栅中圆心光线与标定板交点在相机拍摄的图像，联立光线方程和每幅图像中标定板平面在相机坐标系下的方程求得每个衍射光栅和相机之间的距离和角度关系。
进一步地，步骤2)中标定相机内参数的方法是通过拍摄多幅标定板图像进行解算。
进一步地，步骤5)中采用的相位解包裹技术为最小费用最大流算法。
本发明的有益效果在于：本发明将相机和投影设备集成在一起，投影设备采用投影光栅，体积小，质量轻；实现了测量设备一体化设计与制作。避免了传统的方法，通过投影仪投影多幅条纹图到物体表面；本发明通过多个光栅分别投影，充分利用了相机的空间，测量***紧凑。投影设备投射装置和相机采用硬件同步触发方式，同步精度高，可以实现更快速的快速测量。测量过程中一次测量触发后，便可以自动完成多幅不同相移条纹图的采集；测量***测量快速；避免了传统的投影多幅相位图时，利用软件触发的方式。
附图说明
图1为本发明结构光投影快速测量装置的较佳实施例结构示意图。
图2为本发明结构光投影快速测量装置投影得到的四幅相移条纹图。
图3为本发明结构光投影快速测量装置的标定过程示意图。
具体实施方式
本发明为一种结构光投影快速测量装置，其较佳实施例的结构包括相机和布置在相机周围的光学投影***，光学投影***包括N个衍射光栅和与衍射光栅一一对应的N个光源，光源投影到光栅后产生正弦图案的相移条纹图；N个衍射光栅产生的N幅相移条纹图之间具有2π/N的相位差，N个光源分别通过同步电路与相机相连。
进一步地，衍射光栅的中心设置有全透光圆孔，利用通过此圆孔的光线和标定板信息联立解算相机和衍射光栅的位置和姿态关系，为最终准确求得三维重建结果提供参数。N个衍射光栅的的布置应采用光学方法尽量使得平行，且要标定N个光栅在空间的相位关系。
如图1所示，本实施例中衍射光栅的数量为四个。光学投影***呈矩形布置，四个衍射光栅1分别位于矩形的四个顶点，相机2位于矩形的中心。由这四个衍射光栅投影得到的图案如图2所示，每个图案的中心圆点表示全透光的圆孔。
采用本实施例结构光投影快速测量装置进行测量的方法包括以下步骤：
第一步，布置相机；在测量设备的中间位置放置相机。
第二步，制作衍射光栅，光源投影到衍射光栅后产生相移条纹图，相移条纹图为正弦图案，产生的四副相移条纹图，相邻的条纹图有π/2相位差，共制作四块衍射光栅，而且每块衍射光栅的中间位置刻一全透光圆孔，由光源和衍射光栅组成光学投影***。
第三步，将相机和第二步产生的光学投影***放置在一起，图1仅给出了一种放置方案，可根据测量设备的空间尺寸合理的布置光学投影***和相机的空间位置；四个衍射光栅的布置应采用光学方法尽量使得平行，且要标定四个衍射光栅在空间的相位关系。
第四步，标定四个衍射光栅和相机之间的距离和角度关系，标定相机的内参数。采用棋盘格标定板作为标定物，相机的内参数可通过拍摄多幅标定板图像解算；然后再将标定板摆放若干不同位置和姿态，同时记录激光测距信息与相机拍摄的图像，如图3所示。
衍射光栅中心的圆点在相机坐标系下中心坐标为O1，光线方向为D1，那么光线方程可表示为
每幅图像中标定板平面在相机坐标系下的方程也已知，表示为：
ax+by+cz+d＝0 (2)
那么，光线与标定板平面相交于一点，记为P。联立公式(1)、(2)，通过多次拍摄的信息可构建方程组，从而解算出光线方程。进而得出每个衍射光栅和相机之间的位置和姿态关系。
第四步，分别依次控制衍射光栅后的光源依次发光，光学投影***便投影正弦条纹图至物体表面，每次投影正弦条纹时，相机进行拍照；光源依次照亮，相机在光源每次点亮时同步拍照；
第五步，将采集到的4幅图像保存，利用公式(1)完成四步相移法求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位，即求得的相位主值值域为(-π，π)；
同理，如果采用三个光栅，每个光栅的相邻的条纹有2π/3的相位差，此时可以利用三步相移法，求得相位结果；同理，采用N个光栅，可用N步相移法，求得相位结果；
第六步，利用相位解包裹技术，将包裹相位恢复为完整的连续的相位。可以采用最小费用最大流的相位解包裹方法，该方法有较强的抗噪声能力，求解速度快，也能很好地保持相位的一致性。
第七步，利用相机和光栅的标定结果，将相位结果转化为真实的三维轮廓信息。利用结构光投影式测量***的相位转换为三维轮廓的关系便可得出真实的三维轮廓信息。

Claims (9)

1.一种结构光投影快速测量装置，其特征在于：包括相机和布置在相机周围的光学投影***，所述光学投影***包括N个衍射光栅和与衍射光栅一一对应的N个光源，光源投影到光栅后产生正弦图案的相移条纹图；N个衍射光栅产生的N幅相移条纹图之间具有2π/N的相位差，N个光源分别通过同步电路与相机相连。
2.根据权利要求1所述的结构光投影快速测量装置，其特征在于：所述衍射光栅的中心设置有全透光圆孔。
3.根据权利要求2所述的结构光投影快速测量装置，其特征在于：N个衍射光栅相互平行设置。
4.根据权利要求1-3中任一所述的结构光投影快速测量装置，其特征在于：所述光学投影***中的衍射光栅的数量为四个。
5.根据权利要求4所述的结构光投影快速测量装置，其特征在于：所述光学投影***呈矩形布置，四个衍射光栅分别位于矩形的四个顶点，所述相机位于矩形的中心。
6.一种结构光投影快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建如权利要求1-5中任一所述的结构光投影快速测量装置；
2)标定N个衍射光栅与相机之间的距离和角度关系，标定相机的内参数；
3)控制N个光源依次发光，光学投影***向待测物体投影正弦图案的相移条纹图，相机对待测物体进行同步拍照采集得到N幅图像；
4)利用N步相移法求解变形相移条纹图的相位分布，求得物体的包裹相位；
5)利用相位解包裹技术，将包裹相位恢复为完整的连续的相位；
6)利用步骤2)中的标定结果，将步骤5)得到的相位信息转化为真实的待测物体三维轮廓信息。
7.根据权利要求6所述的结构光投影快速测量方法，其特征在于，步骤2)中衍射光栅与相机之间的距离和角度关系的标定方法是：将标定板摆放若干不同位置和姿态，同时记录衍射光栅中圆心光线与标定板交点在相机拍摄的图像，联立光线方程和每幅图像中标定板平面在相机坐标系下的方程求得每个衍射光栅和相机之间的距离和角度关系。
8.根据权利要求7所述的结构光投影快速测量方法，其特征在于：步骤2)中标定相机内参数的方法是通过拍摄多幅标定板图像进行解算。
9.根据权利要求6-8中任一所述的结构光投影快速测量方法，其特征在于：步骤5)中采用的相位解包裹技术为最小费用最大流算法。
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