專利名稱：用非等步相移正交光柵實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維面形測(cè)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)三維傳感技術(shù)，特別是涉及基于位相測(cè)量輪廓術(shù)方法的用非 等步相移正交光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)三維面形的測(cè)量。
二背景技術(shù)：
三維面形測(cè)量，在機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、快速成型、影視特技、 產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域具有重要意義。光學(xué)三維傳感技術(shù)，由于其具有非接觸、 精度高、大面積測(cè)量、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的研究和應(yīng)用?，F(xiàn)有的光
學(xué)三維傳感方法主要包括三角測(cè)量法、莫爾條紋法(Moir6 Topography,簡(jiǎn)稱 MT)、傅里葉變換輪廓術(shù)(Fourier Transform Profilometry,簡(jiǎn)稱FTP)、空間相位檢 測(cè)術(shù)(Spatial Phase Detection,簡(jiǎn)稱SPD)、位相測(cè)量輪廓術(shù)(Phase Measuring Profilometry,簡(jiǎn)稱PMP)等，這些方法都是通過對(duì)受三維物體面形調(diào)制的空間結(jié) 構(gòu)光場(chǎng)進(jìn)行解調(diào)制，來獲得物體的三維面形信息。其中最常用的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng) 三維傳感方法是傅立葉變換輪廓術(shù)和位相測(cè)量輪廓術(shù)。傅里葉變換輪廓術(shù)是通 過對(duì)變形條紋圖像進(jìn)行傅里葉變換、頻域?yàn)V波和逆傅里葉變換等步驟實(shí)現(xiàn)的。 傅里葉變換輪廓術(shù)只需要用一幀條紋圖來重建三維面形，實(shí)時(shí)性較好，可以用 于動(dòng)態(tài)過程的三維傳感；但由于其涉及到濾波操作，頻譜混疊會(huì)降低測(cè)量精度， 該方法對(duì)環(huán)境光也比較敏感。位相測(cè)量輪廓術(shù)則需要從多幀相移條紋圖形來重 建三維面形，具有很高的精度，但由于采用多次相移，實(shí)時(shí)性較差。如何綜合 位相測(cè)量輪廓術(shù)和傅里葉變換輪廓術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而盡量減少其缺點(diǎn)，應(yīng)用本發(fā)明提 及的方法就可以解決這一關(guān)鍵技術(shù)難題。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的則是針對(duì)對(duì)一幀條紋進(jìn)行解碼三維重建精度較低的缺陷，提 出一種在三維傳感技術(shù)測(cè)量中用非等步相移正交光柵實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維面形測(cè)量 方法。這種方法能非常好地做到實(shí)時(shí)獲得物體表面變形條紋分布的圖像信息，具有較高的測(cè)量精度，能真正地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)測(cè)量。 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編碼產(chǎn)生所需要的正交光柵圖案，即對(duì)透射光場(chǎng)進(jìn)行面結(jié) 構(gòu)編碼，然后運(yùn)用光學(xué)手段將數(shù)字的光柵圖案成像在膠片上，即將數(shù)字的透過 率分布轉(zhuǎn)化成模擬的透過率分布，脫離了數(shù)字投影儀等電子器件本身的特性對(duì) 系統(tǒng)的干擾。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明使用非等步相移正交光柵，使三維傳感光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崟r(shí)測(cè) 量物體的三維面形。
2. 同樣是獲取一幀變形條紋圖案，本發(fā)明相比傅立葉變換輪廓術(shù)具有更高 的測(cè)量精度；而相比位相測(cè)量輪廓術(shù)則不需要進(jìn)行相移，以及不需要采集多幀 變形條紋圖案。
3.本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)可以靈活設(shè)計(jì)所需要的光柵編碼，通過光學(xué)手段產(chǎn)生 膠片的過程也非常簡(jiǎn)單，因此可以在很短的時(shí)間內(nèi)得到所需要的光柵。 四

圖1位相測(cè)量輪廓術(shù)的光路示意圖。
圖2待測(cè)心形物體。
圖3通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編碼的非等步相移正交光柵。
圖4受到物體面形調(diào)制的非等步相移正交光柵變形條紋。
圖5用上述技術(shù)方案恢復(fù)的心形物體。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖、工作原理對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
用非等步相移正交光柵實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維面形測(cè)量的光路與傳統(tǒng)的位相測(cè)量輪 廓術(shù)的光路相似。圖1是PMP方法的投影光路，P,和A是投影系統(tǒng)的入瞳和出 瞳，^和/i是成像系統(tǒng)的入瞳和出瞳。成像光軸垂直于參考平面，并與投影光軸 的夾角為0，它們相交于參考平面上的O點(diǎn)，d為探測(cè)器光心到投影設(shè)備光心之間的距離，/為探測(cè)器光心到參考平面之間的距離。
用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一組非等步相移光柵，其投影強(qiáng)度像表示為
厶00,7) = " + 6cos(27T7y;; — ^1) ' (" = 1,2，…7V,W = 3) (1)
"表示直流偏置，6/"表示條紋對(duì)比度，A表示每次移動(dòng)的相位，將這組非 等步相移光柵分別調(diào)制在一組載頻正弦光柵上，載頻光柵的柵線方向和相移光 柵的柵線方向垂直，將各個(gè)調(diào)制成分疊加，得到的非等步正交光柵的投影強(qiáng)度
像為
"=1 (2) =c + d . 2L""cos(2:7^ —^7)_|'cos(2< x)
頻率&為載頻正弦光柵的頻率，c為正交光柵的直流偏置，d/c為條紋對(duì)比
度。當(dāng)一塊非等步正交光柵被投影到物體表面時(shí)，不考慮物體的反射率和環(huán)境
光強(qiáng)度，CCD接收到的變形條紋可以表示為
/(x,力=c + d '2[a + 6cos(2;r^少+少一^)].cos(2;r二x) (3)
其中-為物體的高度引起的相移光柵條紋的相位變化。對(duì)(3)進(jìn)行二維快速 傅里葉變換(FFT)，得到的頻譜/M(《,;/)如下
J]^，力^2琳考)血辦 =J]"(c + J. J] [a + 6 cos(2;r^ — cos(2《"x"e-聲(々，)血^;
w .1
^:，力+ ^》，《，/7) + ,^乂，;7) + ^^乂，/7f("")
/7=1么 么 4
如《—4，77+77>-飼+>+4，/ -
+ |呵《,/7 + ^""")} (4) 式中《，;7為空間頻率，從(4)式可知/(x,力經(jīng)過FFT后得到的頻譜圖中一共有6iV + l個(gè)的頻譜成分，其中"&7)為攜帶背景信息的零頻；含有^的才是攜帶
相移信息的頻譜。為了能夠有效提取出相應(yīng)的相移光柵條紋，要求盡可能的使 各個(gè)頻譜成分相互獨(dú)立，沒有混疊，因此可通過選擇合適的載頻光柵的頻率來 使各個(gè)頻譜在頻譜圖中盡量獨(dú)立。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器，可 從整個(gè)頻譜中提取第n個(gè)相移光柵變形條紋的頻譜成分"，(x,力
J附"4"必(《一"，")
+丄6必(《—^V("") +丄6必(《一^, 7 + ^)e力("') 4 y 4 ^
對(duì)(5)進(jìn)行快速逆傅里葉變換(IFFT)得^ ，艮卩
2 4 J
=^<^2<[a + ftcos(2;^v;7y +-1 )]
(6)
/M劾
^是一虛數(shù)，對(duì)^取模即可解調(diào)出一相移光柵變形條紋"M^
<formula>formula see original document page 6</formula>可以看出，從非等步相移正交光柵中解調(diào)出的相移光柵變形條紋；^與所
編碼非等步相移正交光柵中設(shè)計(jì)的非等步相移光柵變形條紋/n(X,力只是在強(qiáng)度
上有一個(gè)倍數(shù)關(guān)系，可以從經(jīng)解調(diào)后的一組相移光柵變形條紋/^e"用進(jìn)行相位提取。
當(dāng)非等步正交光柵投影到一個(gè)三維漫反射物體表面上時(shí)，通過成像系統(tǒng)可
以獲得受物體表面面形調(diào)制的變形條紋，根據(jù)離散相移技術(shù)獲取3幅變形光柵
的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(8)、 (9)及(10)式/0 = + 5cos(27cc/i5 + (|))] (8) /, = i [ j + 5 cos(2 a/P + (|> + a)] (9) /2 = +萬cos(2tcc/P + ()) + (3)] (10) 其中i (X力是表示物體表面的反射率，W(jc,力表示背景光強(qiáng)，B(x，力為受物體面 形反射率影響的光場(chǎng)調(diào)制強(qiáng)度，P為光柵周期，(K^)為調(diào)制光場(chǎng)的相位分布函 數(shù)，它表征了條紋的變形，并且與物體的三維面形有關(guān)。為了敘述方便，式子 中的各量均省略0c,力，a與p表示，此時(shí)o^P、并且都在27i范圍內(nèi)。整理(8)、 (9)、 (IO)式得
i 5[cos(2roc/P + (j) + a) - cos(2ra:/P + ((>)] (11) /2 — /0 = i B[cos(27u/i5 + (j) + P) — cos(2ux/i5 + <)))] (12)
令M-2:ix/P + (f)，當(dāng)/2-/。#0、 cosM-0時(shí)，由(ll)、 (12)式聯(lián)立求解，得到(12) 式
=an;tan"i _J。)cosP —(A —/。)cosoc + /2 _」 (/, 一 /。) sin P - (/2 — /。) sin a
M = arcton^ —/,函二.卞^ _A (13) 即
(|) = M —2toc/尸 (14)
(14)式即為物體截?cái)嘞辔坏谋磉_(dá)式，但此時(shí)計(jì)算的結(jié)果都是在分母不為零的情況
下獲得的，下面考慮當(dāng)分母為零時(shí)的情況 當(dāng)/2-/。=0時(shí)
(|) = —P/2 — 27a/P (15)
同樣當(dāng)cosM:0時(shí)
"7t/2-27dc/P (16) 綜合(M)、 (15)、 (16)三式得到物體的截?cái)嘞辔粸?lt;formula>formula see original document page 8</formula>
通過(17)式的反正切計(jì)算，相位被截?cái)嘣?tt —7t之間，因此此時(shí)的相位是
離散的，而實(shí)際物體表面的相位是連續(xù)的，故需要對(duì)截?cái)嘞辔贿M(jìn)行展開，設(shè)展
開后的相位分布函數(shù)為V(x,力，從投影光路的幾何關(guān)系可以看出，物體的高度信 息被編碼在三維相位分布^(x,力中，而A^(x,力z^(x,力-y。(x，力對(duì)應(yīng)著待測(cè)物體 的真實(shí)高度分布/z(x,力，式中^(x,力為參考平面的展開位相，因此只需要求出 A^Oc,力后再利用相位和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系式
A^O,力-2《d 2《J 即可恢復(fù)出物體的三維物體表面面形高度分布。 圖2是用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生成的非等步相移正交光柵。 圖3是受到物體面形調(diào)制的非等步相移正交光柵變形條紋。 圖4是用上述技術(shù)方案恢復(fù)的物體。
(18)
權(quán)利要求
1.一種適用于三維重建中使用非等步相移正交光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)物體三維面形實(shí)時(shí)測(cè)量的方法，其特征在于使用照明光源，將非等步相移正交光柵的模板圖案投影到物體表面，用攝像裝置記錄下變形的光場(chǎng)圖像，采用二維傅里葉變換獲取光場(chǎng)圖像的空間頻譜，通過空間濾波和二維傅里葉逆變換提取非等步相移光柵變形條紋圖，用非等步相移解相和高度映射手段得到物體瞬時(shí)的三維面形分布。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的非等步相移正交光柵的 模板，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編碼、采用光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)的投影面結(jié)構(gòu)調(diào)制模板， 包括非等步相移正交正弦光柵、非等步相移正交羅奇光柵編碼模板。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的對(duì)獲得的變形光場(chǎng)圖像 進(jìn)行處理，是利用快速傅里葉變換的方法對(duì)變形條紋進(jìn)行傅里葉變換、濾波、 逆傅里葉變換、相位提取和展開等處理和操作，目的是通過解調(diào)相位的方法獲 取物體的面形分布，也包括利用空間位相檢測(cè)方法對(duì)變形光場(chǎng)進(jìn)行處理，獲取 物體的面形分布。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的對(duì)獲得的變形光場(chǎng)圖像 的非等步解相算法解相位，目的是獲取更加準(zhǔn)確的解調(diào)相位，提高物體的三維 面形分布重構(gòu)精度。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于運(yùn)用非等步相移正交光柵，研 究物體的瞬間狀態(tài)，進(jìn)行模式識(shí)別或提取物體的某些特征參數(shù)，如面形、姿態(tài)、 變形量、特征點(diǎn)距離等。
全文摘要
本發(fā)明是三維傳感技術(shù)中用非等步相移正交光柵對(duì)物體的三維面形和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的方法。運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)編碼非等步相移正交光柵，采用光學(xué)投影手段將光柵的面結(jié)構(gòu)調(diào)制模板投影成像在物體表面上，再用攝像裝置記錄下物體的變形條紋圖，隨后用傅里葉變換頻譜濾波方法和非等步相移位相測(cè)量輪廓術(shù)處理這些變形條紋，能夠精確地恢復(fù)出物體的三維面形，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以獲得諸如物體變形等一些數(shù)字化信息。本發(fā)明可以用于具有漫反射特性的物體表面特征的測(cè)量研究。本發(fā)明具有測(cè)量精度高，響應(yīng)時(shí)間快，能夠?qū)崟r(shí)獲取物體的三維面形數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/25GK101655359SQ20091005984
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者何宇航, 劉元坤, 向立群, 張啟燦, 曹益平, 蘇顯渝, 陳文靜 申請(qǐng)人:四川大學(xué)