專利名稱：基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種正弦光柵的快速生成方法，具體是一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法。屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過散焦快速地生成正弦光柵是實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)光學(xué)測(cè)量的重要手段，散焦相當(dāng)于一個(gè)高斯低通濾波器，將輸入的二進(jìn)制編碼圖像中的高次諧波部分濾除。通過散焦生成的正弦光柵的精度直接關(guān)系到解相精度和三維反求精度。Song Zhang等人提出的直接將方波散焦成正弦光柵等傳統(tǒng)方法(Yajun Wang andSong Zhang. Optimal pulse width modulation for sinusoidal fringe generation withprojector defocusing[J]. OPTICS LETTERS, 2010, 35(24) :4121-4123)存在著光柵生成精 度低，解相誤差大的特點(diǎn)，很難滿足非接觸精密測(cè)量的要求。相對(duì)于方波，基于區(qū)域化的三角波具有高次諧波振幅降低速度快、利于過濾的特點(diǎn)。但由于攝像機(jī)和投影儀的伽馬非線性，我們通過DLP (Digital Light Procession,即數(shù)字化處理)技術(shù)編程生成的三角波光柵在投影到被測(cè)物體上并被攝像機(jī)采集后，會(huì)存在系統(tǒng)誤差，對(duì)后期解相和相位展開帶來較大的計(jì)算誤差。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有散焦技術(shù)中存在的光柵生成精度較低和相位誤差較大的問題，本發(fā)明提出了一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法。技術(shù)方案本發(fā)明提出的一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法通過構(gòu)將相連像素(2x2)區(qū)域化，對(duì)區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行不同的二進(jìn)制賦值，通過散焦生成高精度的三角波光柵，然后再對(duì)三角波光柵進(jìn)行二次散焦得到滿足精度要求的正弦光柵，其實(shí)現(xiàn)方便、生成光柵準(zhǔn)確，適用于高精度非接觸的三維實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法，其特征在于包括以下步驟步驟I :通過DLP編程技術(shù)生成基于區(qū)域的投影圖片(a)將初始圖片A劃分為若干個(gè)2像素*2像素的區(qū)域，其中所述初始圖片A寬度方向的像素?cái)?shù)為16η，η為要生成的正弦光柵條紋的周期數(shù)，一個(gè)正弦光柵條紋周期內(nèi)有8個(gè)2像素*2像素區(qū)域；所述初始圖片A高度方向的像素?cái)?shù)為2的倍數(shù)；(b)對(duì)圖片A中的每個(gè)2像素*2像素區(qū)域內(nèi)的四個(gè)像素點(diǎn)賦灰度值，所賦灰度值為O或255，得到投影圖片B ;取投影圖片B中每個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值為該區(qū)域內(nèi)四個(gè)像素點(diǎn)灰度值的均值；投影圖片B中沿寬度方向連續(xù)8個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值分布呈周期變化，其中在投影圖片B中存在8個(gè)連續(xù)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值依次為0、63· 75,127. 5,191. 25、255、191· 25,127. 5,63. 75 ;投影圖片B中沿高度方向
連續(xù)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值相同；步驟2 :將步驟I生成的投影圖片B投影到被測(cè)物體表面，保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，通過調(diào)整投影儀焦距，使投影到被測(cè)物體表面的影像聚焦；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，再次調(diào)整投影儀焦距，將投影儀的焦距在聚焦焦距的基礎(chǔ)上變化Λ i，從而在被測(cè)物體表面得到三角波光柵圖像C ；步驟3 :保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，將投影儀的焦距在步驟2最后調(diào)定的焦距基礎(chǔ)上再次變化A2，從而在被測(cè)物體表面得到正弦光柵圖像D，其中A1與A2的符號(hào)相同。所述一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法，其特征在于A1為投影儀調(diào)焦范圍的10% 15%或-15% -10%，A2為投影儀調(diào)焦范圍的10%或-10%。
有益效果本發(fā)明提出的一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法通過構(gòu)將相連像素(2x2)區(qū)域化，對(duì)區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行不同的二進(jìn)制賦值，通過散焦生成高精度的三角波光柵，然后再對(duì)三角波光柵進(jìn)行二次散焦得到滿足精度要求的正弦光柵，其實(shí)現(xiàn)方便、生成光柵準(zhǔn)確，適用于高精度非接觸的三維實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。實(shí)施例顯示經(jīng)過步驟(I)的2像素*2像素區(qū)域劃分賦值和步驟(2)的輕微散焦，有效地消除了直接生成三角波光柵時(shí)因?yàn)橥队皟x伽馬非線性問題所帶來的誤差，2像素*2像素區(qū)域經(jīng)過步驟(I)和步驟(2)后可被認(rèn)作是一個(gè)整體，生成了滿足要求的三角波光柵圖像；高精度的三角波光柵圖像通過步驟(3)的二次散焦，濾掉了其中的高次諧波，得到了令人滿意的正弦光柵圖像。


圖I是基于區(qū)域的投影圖片。圖2是將圖I輕微散焦后生成的三角波光柵。圖3是圖2 二次散焦后生成的正弦光柵。圖4是方波條紋。圖5是將圖4散焦后生成的正弦光柵。圖6是圖5的正弦光柵灰度質(zhì)量圖和頻譜圖。圖7是圖2三角波光柵的的灰度質(zhì)量圖。圖8是圖3的正弦光柵灰度質(zhì)量圖和頻譜圖。圖9是圖5和圖3的正弦光柵解相誤差圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明為了進(jìn)行對(duì)比，本實(shí)施例中采用了兩種生成正弦光柵的方法，一種是傳統(tǒng)的由方波散焦生成正弦光柵，一種是本發(fā)明提出的基于區(qū)域散焦生成正弦光柵。由方波散焦生成正弦光柵如圖4所示，通過DLP編程生成方波條紋；將圖4所示的方波條紋投影到被測(cè)物體表面，并根據(jù)實(shí)際需求確定投射距離和投射畫面尺寸；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，通過調(diào)整投影儀焦距，使投影儀投影到被測(cè)物體表面的影像聚焦；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，再次調(diào)整投影儀焦距，將投影儀的焦距在聚焦焦距的基礎(chǔ)上變化為投影儀調(diào)焦范圍的10% 15%或-15% -10%，本實(shí)施例Λ :取10%，生成正弦光柵圖像，如圖5所示。對(duì)由方 波散焦生成的光柵圖像進(jìn)行傅里葉變換的頻譜分析，得到圖6所示的由方波散焦而成的正弦光柵的灰度和頻率分布圖?；趨^(qū)域散焦生成正弦光柵步驟I :通過DLP編程技術(shù)生成基于區(qū)域的投影圖片(a)將初始圖片A劃分為若干個(gè)2像素*2像素的區(qū)域，其中所述初始圖片A寬度方向的像素?cái)?shù)為16η，η為要生成的正弦光柵條紋的周期數(shù)，一個(gè)正弦光柵條紋周期內(nèi)有8個(gè)2像素*2像素區(qū)域；所述初始圖片A高度方向的像素?cái)?shù)為2的倍數(shù)；本實(shí)施例中初始圖片A寬度方向的像素?cái)?shù)為80，計(jì)劃要生成包含五個(gè)完整周期的正弦光柵條紋；(b)對(duì)圖片A中的每個(gè)2像素*2像素區(qū)域內(nèi)的四個(gè)像素點(diǎn)賦灰度值，所賦灰度值為O或255，得到投影圖片B ;取投影圖片B中每個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值為該區(qū)域內(nèi)四個(gè)像素點(diǎn)灰度值的均值；投影圖片B中沿寬度方向連續(xù)8個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值分布呈周期變化，其中在投影圖片B中存在8個(gè)連續(xù)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值依次為0、63· 75,127. 5,191. 25,255,191. 25,127. 5,63. 75 ;投影圖片B中沿高度方向連續(xù)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值相同；投影圖片B如圖I所示；步驟2 :將步驟I生成的投影圖片B投影到被測(cè)物體表面，根據(jù)實(shí)際需求確定投射距離和投射畫面尺寸；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，通過調(diào)整投影儀焦距，使投影到被測(cè)物體表面的影像聚焦；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，再次調(diào)整投影儀焦距，將投影儀的焦距在聚焦焦距的基礎(chǔ)上變化A1, A1為投影儀調(diào)焦范圍的10% 15%或-15% -10%，本實(shí)施例中取Λ I為10%，從而在被測(cè)物體表面得到三角波光柵圖像C ;三角波光柵圖像C如圖2所示；步驟3 :保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，將投影儀的焦距在步驟2最后調(diào)定的焦距基礎(chǔ)上再次變化Λ2，八2為投影儀調(diào)焦范圍的10%或-10%，本實(shí)施例中取A2為10%，從而在被測(cè)物體表面得到正弦光柵圖像D，正弦光柵圖像D如圖3所示。圖8給出了由區(qū)域散焦方法形成正弦光柵的灰度和頻率分布圖。對(duì)比圖6和圖8，基于區(qū)域散焦生成的正弦光柵圖像明顯具有精度高、噪音小的特點(diǎn)。將兩種方法生成的光柵圖像(圖5和圖3)分別按照等步相移法進(jìn)行解相，得到相位誤差分布圖9，由圖可知，采用將方波直接散焦生成正弦光柵的傳統(tǒng)方法的相位誤差在正負(fù)O. 2rad的范圍之內(nèi)，采用本發(fā)明方法生成正弦光柵的相位誤差在正負(fù)O. 05rad的范圍之內(nèi)，誤差減小了四倍。
權(quán)利要求
1.一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I :通過DLP編程技術(shù)生成基于區(qū)域的投影圖片 (a)將初始圖片A劃分為若干個(gè)2像素*2像素的區(qū)域，其中所述初始圖片A寬度方向的像素?cái)?shù)為16η，η為要生成的正弦光柵條紋的周期數(shù)，一個(gè)正弦光柵條紋周期內(nèi)有8個(gè)2像素*2像素區(qū)域；所述初始圖片A高度方向的像素?cái)?shù)為2的倍數(shù)； (b)對(duì)圖片A中的每個(gè)2像素*2像素區(qū)域內(nèi)的四個(gè)像素點(diǎn)賦灰度值，所賦灰度值為O或255，得到投影圖片B ;取投影圖片B中每個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值為該區(qū)域內(nèi)四個(gè)像素點(diǎn)灰度值的均值；投影圖片B中沿寬度方向連續(xù)8個(gè)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值分布呈周期變化，其中在投影圖片B中存在8個(gè)連續(xù)2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值依次為 0、63· 75,127. 5,191. 25,255,191. 25,127. 5,63. 75 ;投影圖片 B 中沿高度方向連續(xù) 2像素*2像素區(qū)域的區(qū)域灰度值相同； 步驟2 :將步驟I生成的投影圖片B投影到被測(cè)物體表面，保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，通過調(diào)整投影儀焦距，使投影到被測(cè)物體表面的影像聚焦；保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，再次調(diào)整投影儀焦距，將投影儀的焦距在聚焦焦距的基礎(chǔ)上變化Λ i，從而在被測(cè)物體表面得到三角波光柵圖像C ； 步驟3 :保持投影儀與被測(cè)物體表面的投射距離不變，保持投影儀的投射畫面尺寸不變，將投影儀的焦距在步驟2最后調(diào)定的焦距基礎(chǔ)上再次變化A2，從而在被測(cè)物體表面得到正弦光柵圖像D，其中A1與A2的符號(hào)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法，其特征在于=A1為投影儀調(diào)焦范圍的10% 15%或-15% -10%，A2為投影儀調(diào)焦范圍的10%或-10%。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種基于區(qū)域散焦的正弦光柵生成方法，通過構(gòu)將相連像素2x2區(qū)域化，對(duì)區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行不同的二進(jìn)制賦值，通過散焦生成高精度的三角波光柵，然后再對(duì)三角波光柵進(jìn)行二次散焦得到滿足精度要求的正弦光柵，其實(shí)現(xiàn)方便、生成光柵準(zhǔn)確，適用于高精度非接觸的三維實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。經(jīng)過2像素*2像素區(qū)域劃分賦值和輕微散焦，有效地消除了直接生成三角波光柵時(shí)因?yàn)橥队皟x伽馬非線性問題所帶來的誤差，2像素*2像素區(qū)域經(jīng)過步驟1和步驟2后可被認(rèn)作是一個(gè)整體，生成了滿足要求的三角波光柵圖像；高精度的三角波光柵圖像通過步驟3的二次散焦，濾掉了其中的高次諧波，得到了令人滿意的正弦光柵圖像。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102798344SQ20121031102
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者常智勇, 孫惠斌, 李春磊, 盧津, 樊迪, 張棟梁 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)