CN109855559A - 一种全空间标定***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全空间标定***及方法。本发明通过计算机控制水平平移台的移动、液晶显示器二维光栅的显示，同时投影仪投射光栅和相机抓拍光栅，液晶显示器作为标准平面，通过液晶显示器的移动，计算截断相位，并建立坐标关系式，实现全空间的标定，本发明在标定过程中不需要标定板，标定位置移动简单。只需要计算截断相位，不需要进行复杂的相位展开。可直接建立截断相位和高度关系，避免相位展开错误造成的高度错误。一次性标定完成多空间尺寸和多精度标定。

Description

一种全空间标定***及方法

技术领域

本发明涉及空间标定技术领域，具体为一种全空间标定***及方法。

背景技术

全空间标定技术是在空间内标定位置的方法，为了按时间序列测量物体形状，要求高速形状测量技术。光栅投影方法是一种无接触地测量物体形状的技术。这种技术可以用于动态分析动态现象，如人体运动，旋转物体和运动对象高速。傅立叶变换方法是著名的方法之一。这种方法可以分析一次性光栅图像中物体的形状。相移方法是用于精确形状测量的有用方法。准确性更好，因为相位可以逐像素地获得。然而，这种方法不适合高速形状测量，因为这种方法需要几个光栅图像相移。

现有全空间标定***的标定方法需要建立高度和连续相位关系，缺陷为：

1.需要借助标定板进行人工多次位置移动迭代，建立展开相位和高度的映射关系，操作复杂。

2.需要将截断相位展开为连续相位，计算过程中容易出错。

3.相位到高度的复杂映射得到的连续相位，需要反算出高度，存在标定效率问题，计算过程中容易出错。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种全空间标定***及方法解决了空间标定效率低且容易出错的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种全空间标定***，其特征在于，包括计算机、CCD相机、投影仪、液晶显示器和水平平移台，所述计算机分别与液晶显示器、水平平移台和投影仪连接，所述投影仪通过同步装置与CCD相机连接，所述CCD相机与计算机连接，所述液晶显示器垂直固定安装在水平平移台上。

进一步地：所述***还包括激光投射器，所述激光投射器用于校准液晶显示器的位置。

采用上述进一步方案的有益效果为：激光投射器投射高精度的十字光线，用于校准x，y，z方向，激光投射器投射激光点与液晶显示器上的标记点重合，辅助定位坐标原点。

进一步地：所述液晶显示器表面覆盖有扩散膜。

采用上述进一步方案的有益效果为：使得光发生许多折射、反射与散射的现象，可修正光线成均匀面光源以达到光学扩散的效果。一方面投影仪投影光栅可以在其表面散射成像，另一方面显示器显示的二维光栅可透过其成像。

一种全空间标定方法，包括以下步骤：

S1、将投影仪产生的正弦光栅投影到液晶显示器上；

S2、通过计算机控制水平平移台等距离移动，从而带动液晶显示器在2π相位内等距离移动n次，n≥2；

S3、通过CCD相机在液晶显示器的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位；

S4、建立每个像素对应的截断相位与液晶显示器在z轴上的曲线拟合关系模型

为截断相位，z_i为液晶显示器在z轴上的坐标，i＝1，2，3…n；

S5、通过计算机在液晶显示器上显示二维正交光栅，并通过CCD相机在液晶显示器的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位；

S6、建立每个像素坐标与液晶显示器在x轴和y轴上的曲线拟合关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)；

(x，y)为液晶显示器在x轴和y轴上的坐标，(u，v)为图像像素坐标；

S7、通过关系模型和关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)，建立每个像素的x、y、z坐标与截断相位的关系模型

进一步地：所述步骤S2中液晶显示器的位置为z₁、z₂、…、z_n，z_n的计算公式为：

上式中，L为测量空间的深度，k和m均为比例系数，k的取值范围为1.2-1.5，m的取值范围为1.2-1.6。

进一步地：所述步骤S1中正弦光栅的条纹周期和测量深度的计算公式为：

上式中，T为条纹周期，L为测量空间的深度，a为投影仪的投射角，Z_n为液晶显示器的位置，D为投射面水平长度，s为水平分辨率。

进一步地：所述步骤S3和步骤S5中截断相位的计算方法包括相移法和傅里叶变换法(或S变换和小波变换)，所述相移法需拍摄三张以上的光栅图，所述傅里叶变换法(或S变换和小波变换)只需拍摄一张光栅图；

通过所述相移法计算截断相位的计算公式为：

上式中，I_n(x，y)为第n条正弦光栅的灰度值或像素的灰度值，N为投影条纹图数；

通过所述傅里叶变换法计算截断相位的计算公式为：

上式中，Re[c(x，y)]和Im[c(x，y)]分别为c(x，y)的实部和虚部，c(x，y)为采集条纹灰度图。

本发明的有益效果为：本发明通过计算机控制水平平移台的移动、液晶显示器二维光栅的显示，同时投影仪投射光栅和相机抓拍光栅，液晶显示器作为标准平面，通过液晶显示器的移动，计算截断相位，并建立坐标关系式，实现全空间的标定，本发明在标定过程中不需要标定板，标定位置移动简单。只需要计算截断相位，不需要进行复杂的相位展开。可直接建立截断相位和高度关系，避免相位展开错误造成的高度错误。一次性标定完成多空间尺寸和多精度标定。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明流程图。

其中：1、计算机；2、CCD相机；3、投影仪；4、液晶显示器；5、水平平移台；6、同步装置；7、激光投射器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种全空间标定***，包括计算机1、CCD相机2、投影仪3、液晶显示器4和水平平移台5，计算机1分别与液晶显示器4、水平平移台5和投影仪3连接，投影仪3通过同步装置6与CCD相机2连接，CCD相机2与计算机1连接，液晶显示器4固定安装在水平平移台5上。

在本发明的一个实施例中，***还包括激光投射器7，激光投射器7用于校准液晶显示器4的位置；激光投射器投射高精度的十字光线，用于校准x，y，z方向，激光投射器投射激光点与液晶显示器上的标记点重合，辅助定位坐标原点。

在本发明的一个实施例中，液晶显示器4表面覆盖有扩散膜；使得光发生许多折射、反射与散射的现象，可修正光线成均匀面光源以达到光学扩散的效果。一方面投影仪投影光栅可以在其表面散射成像，另一方面显示器显示的二维光栅可透过其成像。

如图2所示，一种全空间标定方法，包括以下步骤：

S1、将投影仪3产生的正弦光栅投影到液晶显示器4上。

正弦光栅的条纹周期和测量深度的计算公式为：

上式中，T为条纹周期，L为测量空间的深度，a为投影仪的投射角，Z_n为液晶显示器的位置，D为投射面水平长度，s为水平分辨率。

S2、通过计算机1控制水平平移台5等距离移动，从而带动液晶显示器4在2π相位内等距离移动n次，n≥2；液晶显示器4的位置为z₁、z₂、…、z_n，z_n的计算公式为：

上式中，L为测量空间的深度，k和m均为比例系数，k的取值范围为1.2-1.5，m的取值范围为1.2-1.6。

S3、通过CCD相机2在液晶显示器4的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位。

截断相位的计算方法包括相移法和傅里叶变换法(或S变换和小波变换)，所述相移法需拍摄三张以上的光栅图，所述傅里叶变换法(或S变换和小波变换)只需拍摄一张光栅图；

通过所述相移法计算截断相位的计算公式为：

上式中，I_n(x，y)为第n条正弦光栅的灰度值或像素的灰度值，N为投影条纹图数；

通过所述傅里叶变换法计算截断相位的计算公式为：

上式中，Re[c(x，y)]和Im[c(x，y)]分别为c(x，y)的实部和虚部，c(x，y)为采集条纹灰度图。

S4、建立每个像素对应的截断相位与液晶显示器4在z轴上的曲线拟合关系模型 为截断相位，z_i为液晶显示器在z轴上的坐标，i＝1，2，3…n。

S5、通过计算机1在液晶显示器4上显示二维正交光栅，并通过CCD相机2在液晶显示器4的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位；

截断相位的计算方法包括相移法和傅里叶变换法(或S变换和小波变换)，所述相移法需拍摄三张以上的光栅图，所述傅里叶变换法(或S变换和小波变换)只需拍摄一张光栅图；

通过所述相移法计算截断相位的计算公式为：

上式中，I_n(x，y)为第n条正弦光栅的灰度值或像素的灰度值，N为投影条纹图数；

通过所述傅里叶变换法计算截断相位的计算公式为：

上式中，Re[c(x，y)]和Im[c(x，y)]分别为[c(x，y)]为实部和虚部，c(x，y)为采集条纹灰度图。

S6、建立每个像素坐标与液晶显示器4在x轴和y轴上的曲线拟合关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)；

(x，y)为液晶显示器在x轴和y轴上的坐标，(u，v)为图像像素坐标；

S7、通过每个像素对应的截断相位与液晶显示器4在z轴上的关系模型每个像素坐标与液晶显示器4在x轴和y轴上的关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)，建立每个像素的x、y、z坐标与截断相位的关系模型

将计算得到的截断相位代入每个像素的x、y、z坐标与截断相位的关系模型中，即可得到截断相位对应的x、y、z坐标。

Claims (7)

1.一种全空间标定***，其特征在于，包括计算机(1)、CCD相机(2)、投影仪(3)、液晶显示器(4)和水平平移台(5)，所述计算机(1)分别与液晶显示器(4)、水平平移台(5)和投影仪(3)连接，所述投影仪(3)通过同步装置(6)与CCD相机(2)连接，所述CCD相机(2)与计算机(1)连接，所述液晶显示器(4)垂直固定安装在水平平移台(5)上。

2.根据权利要求1所述的全空间标定***，其特征在于，所述***还包括激光投射器(7)，所述激光投射器(7)用于校准液晶显示器(4)的位置。

3.根据权利要求1所述的全空间标定***，其特征在于，所述液晶显示器(4)表面覆盖有扩散膜。

4.一种全空间标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将投影仪(3)产生的正弦光栅投影到液晶显示器(4)上；

S2、通过计算机(1)控制水平平移台(5)等距离移动，从而带动液晶显示器(4)在2π相位内等距离移动n次，n≥2；

S3、通过CCD相机(2)在液晶显示器(4)的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位；

S4、建立每个像素对应的截断相位与液晶显示器(4)在z轴上的曲线拟合关系模型

为截断相位，z_i为液晶显示器在z轴上的坐标，i＝1，2，3…n；

S5、通过计算机(1)在液晶显示器(4)上显示二维正交光栅，并通过CCD相机(2)在液晶显示器(4)的每个位置上拍摄光栅图，通过光栅图计算每个像素对应的截断相位；

S6、建立每个像素坐标与液晶显示器(4)在x轴和y轴上的曲线拟合关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)；

(x，y)为液晶显示器在x轴和y轴上的坐标，(u，v)为图像像素坐标；

S7、通过关系模型和关系模型R((u，v)，(x，y)，z_i)，建立每个像素的x、y、z坐标与截断相位的关系模型

5.根据权利要求4所述的全空间标定方法，其特征在于，所述步骤S2中液晶显示器(4)的位置为z₁、z₂、…、z_n，z_n的计算公式为：

上式中，L为测量空间的深度，k和m均为比例系数，k的取值范围为1.2-1.5，m的取值范围为1.2-1.6，round(.)为取整函数，t为***要达到的测量精度。

6.根据权利要求5所述的全空间标定方法，其特征在于，所述步骤S1中正弦光栅的条纹周期和测量深度的计算公式为：

上式中，T为条纹周期，L为测量空间的深度，a为投影仪的投射角，Z_n为液晶显示器的位置，D为投射面水平长度，s为水平分辨率。

7.根据权利要求4所述的全空间标定方法，其特征在于，所述步骤S3和步骤S5中截断相位的计算方法包括相移法和傅里叶变换法，

通过所述相移法计算截断相位的计算公式为：

上式中，I_n(x，y)为第n条正弦光栅的灰度值或像素的灰度值，N为投影条纹图数；

通过所述傅里叶变换法计算截断相位的计算公式为：

上式中，Re[c(x，y)]和Im[c(x，y)]分别为c(x，y)的实部和虚部，c(x，y)为采集条纹灰度图。