一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，該方法將條紋投影輪廓術(shù)并結(jié)合曲波變換用于躍變物體的三維面形測量中?；诮Y(jié)構(gòu)光投影的條紋輪廓術(shù)是一種高精度、快速、非相干的光學(xué)全場物體三維面形測量技術(shù)，并且實(shí)驗(yàn)裝置簡單，主要包括計(jì)算機(jī)、投影儀和數(shù)碼相機(jī)。所述投影儀用于對待測躍變物體投射多套頻率不同的正弦條紋圖案，數(shù)碼相機(jī)記錄下變形的條紋圖案并傳送至計(jì)算機(jī)，再利用曲波變換對變形條紋圖去噪，并結(jié)合相移方法解調(diào)出變形條紋的相位分布，利用相位展開方法獲取展開相位分布。最后根據(jù)相位-高度關(guān)系得到躍變物體的三維數(shù)據(jù)。本發(fā)明的主要增益：提供了一種高精度、快速的全場測量技術(shù)對躍變物體三維面形測量。
【專利說明】一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將基于條紋投影輪廓術(shù)的三維測量方法結(jié)合曲波變換圖像去噪方法用于躍變物體三維面形測量的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著精密機(jī)械加工、汽車制造、精密光學(xué)加工、半導(dǎo)體行業(yè)、精密儀器制造、模具設(shè)計(jì)、逆向工程等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們?nèi)找嫫惹械叵Ｍ軌驅(qū)γ嫘诬S變的工件物體進(jìn)行精確測量，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)測量設(shè)備已不能滿足日趨現(xiàn)代化、自動化的生產(chǎn)要求，三維測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]目前對躍變物體(主要是物體表面含有類似臺階的階梯狀形狀)面形(物體的表面形貌)的測量主要有接觸式三坐標(biāo)測量儀、光學(xué)掃描、干涉儀等。但是，這些測量系統(tǒng)都對測量條件要求較高或是測量速度較慢或是測量范圍小或是測量精度不高，不適合躍變物體快速、高精度、大范圍的三維面形檢測，如接觸式三坐標(biāo)機(jī)測量時間相當(dāng)長(通常數(shù)小時以上)，而且可能破壞待測物體表面，干涉儀通常只能測量類平面或球面物體，無法測量自由曲面物體，且測量條件、環(huán)境要求苛刻，測量范圍非常的小。
[0004]近年來，提出一種基于條紋投影的三維測量方法。該方法是通過投影儀投射正弦條紋圖，經(jīng)過被測躍變物體表面反射后條紋會發(fā)生變形。相機(jī)記錄下變形圖樣，經(jīng)圖像處理得到相位分布，計(jì)算出被測物體的三維高度信息。因其速度快、精度高、非接觸、易操作的特點(diǎn)，得到了各行業(yè)的廣泛關(guān)注與應(yīng)用。尤其是在工業(yè)精密零部件加工與制造、手機(jī)模型的檢測、半導(dǎo)體電路加工質(zhì)量的檢測、逆向工程等領(lǐng)域，該光學(xué)三維面形測量方法起著非常重要的作用。
[0005]躍變物體進(jìn)行高精度三維測量的難點(diǎn)在于不能準(zhǔn)確獲取空間孤立的截?cái)鄥^(qū)域的相位分布信息及相位展開。解決這一難題首先須要對圖像進(jìn)行去噪處理，最后通過N步相移技術(shù)結(jié)合時間相位展開方法獲取準(zhǔn)備的相位分布信息。
[0006]圖像去噪的方法包括中值濾波、傅里葉變換法、小波變換法、曲波變換法等。中值濾波可以有效的去除噪聲，但是造成明顯的圖像模糊現(xiàn)象。傅里葉變換法采用低通濾波器，但在濾除噪聲的同時也將由躍變物體面形引起的高頻信息成分濾除。小波變換發(fā)有很大改進(jìn)，在分析信號局部特征時有很大優(yōu)勢，但在對躍變物體等復(fù)雜面形圖像去噪時，仍然有一定的局限性，如造成躍變位置的移動變換，導(dǎo)致分辨率降低。曲波變換法具有多尺度、多方向的圖像分析能力，能避免頻譜混疊問題，它不僅能夠非常有效地去除圖像噪聲，而且能完好地保留躍變物體面形的細(xì)節(jié)信息，提高相位解調(diào)的精確度。
[0007]N步相移的相位提取算法和基于最小二乘擬合的時間相位展開算法能在提取相位和展開相位的同時能夠減少隨機(jī)噪聲以及由相機(jī)的非線性響應(yīng)引入的非線性噪聲，避免空間點(diǎn)上噪聲的傳播，對空間孤立的躍變區(qū)域的相位展開有顯著優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明公開了一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，該方法將條紋投影輪廓術(shù)(FPP)并結(jié)合曲波變換(Curvelettransform)用于躍變物體(面形不連續(xù)、不平滑)的三維面形測量中。
[0009]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于包括以下幾個步驟:
[0010]一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，包括以下幾個步驟:
[0011]步驟1、投影儀向被測躍變物體投影強(qiáng)度呈正弦分布的條紋圖像，相機(jī)拍攝記錄被躍變物體面形所調(diào)制的條紋圖像，此時被測躍變物體表面的高度信息調(diào)制被在得到變形條紋的相位中；
[0012]步驟2、利用曲波變換對變形條紋進(jìn)行圖像去噪處理，得到高信噪比的變形條紋圖；
[0013]步驟3、對經(jīng)圖像去噪處理后的變形條紋圖進(jìn)行相位解調(diào)，得到變形條紋的相位分布，此時解調(diào)得到的相位是截?cái)嗟?，然后載頻去除和進(jìn)行相位展開；
[0014]步驟4、得到連續(xù)的展開相位后，通過FPP的相位高度關(guān)系獲得躍變物體表面的三維高度信息。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述步驟I中的變形條紋圖1 (x，y)，可以表示為:
[0016]I (χ, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [2 π f0 (χ, y) χ+ φ (χ, y)]其中 I (χ, y)表示相機(jī)記錄的光強(qiáng)分布，A(x, y)是背景光強(qiáng)，B(x, y)是調(diào)制度分布，f0(x, y)是載頻的頻率函數(shù)，Φ (x，y)是與躍變物體表面高度相關(guān)的相位分布，(x，y)為變形條紋圖像的二維坐標(biāo)。
[0017]上述技術(shù)方案中，所述步驟2中，變形條紋圖像進(jìn)行圖像去噪處理，具體過程如下:
[0018]I)、采用二維連續(xù)曲波變換對變形條紋圖像I (x，y)進(jìn)行處理，處理過程為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，包括以下幾個步驟: 步驟1、向被測躍變物體投影強(qiáng)度呈正弦分布的條紋圖像，拍攝記錄被躍變物體面形所調(diào)制的條紋圖像，得到變形條紋； 步驟2、利用曲波變換對變形條紋進(jìn)行圖像去噪處理，得到高信噪比的變形條紋圖； 步驟3、對經(jīng)圖像去噪處理后的變形條紋圖進(jìn)行相位解調(diào)，得到變形條紋的相位分布，然后載頻去除和進(jìn)行相位展開； 步驟4、得到連續(xù)的展開相位后，通過FPP的相位高度關(guān)系獲得躍變物體表面的三維高度?目息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于:所述步驟I中的變形條紋圖1 (X，y)，表示為:
I (X，y) = A(x, y) +B (x, y)cos[2 π f0 (χ, y) χ+Φ (χ, y)]其中 I (χ, y)表示相機(jī)記錄的光強(qiáng)分布，A(x，y)是背景光強(qiáng)，B(x，y)是調(diào)制度分布，&(x，y)是載頻的頻率函數(shù)，Φ (x, y)是與躍變物體表面高度相關(guān)的相位分布，(x，y)為變形條紋圖像的二維坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于:步驟2中，變形條紋圖像進(jìn)行圖像去噪處理，具體過程如下: 1)、采用二維連續(xù)曲波變換對變形條紋圖像I(X，y)進(jìn)行處理，處理過程為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于:步驟3中，對經(jīng)圖像去噪處理后的變形條紋圖中的相位信息進(jìn)行分析解調(diào)，得到變形條紋的相位分布； 下式為得到的第η幀相移圖像光強(qiáng)的表達(dá)式:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于:所述步驟3中將其進(jìn)行相位展開具體包括以下步驟:逐點(diǎn)對比第k套展開相位圖與第k+Ι套截?cái)嘞辔粓D在同一點(diǎn)處的相位值，若二者的相位差值大于η，則第k+Ι套截?cái)嘞辔粓D在該點(diǎn)的相位加2 π，若差值小于-π，則第k+Ι套截?cái)嘞辔粓D在該點(diǎn)的相位減2 π，否則相位值不變，運(yùn)算過程如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于:所述展開相位，包含載頻相位外和躍變物體的高度相關(guān)的相位Φ (x，y),須對展開相位進(jìn)行載頻去除，載頻去除采用減參考面法或標(biāo)定法。
【文檔編號】G01B11/25GK103940371SQ201410199251
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】岳慧敏, 趙必玉, 吳雨祥, 張博, 劉永 申請人:電子科技大學(xué)