測(cè)量方法、測(cè)量裝置、測(cè)量程序以及記錄有測(cè)量程序的計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種能夠以非接觸方式，且高速、高精度地對(duì)大型構(gòu)造物或工業(yè)制品、 片狀構(gòu)造物、人體或動(dòng)植物、自然造型物等具有三維表面形狀的測(cè)定對(duì)象物的表面的三維 形狀進(jìn)行測(cè)量的三維形狀測(cè)量裝置。此外，也可以使用于非接觸的振動(dòng)面位置測(cè)量或位移 分布測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 將格子圖案投影到測(cè)量對(duì)象物上，通過(guò)求出對(duì)投影到測(cè)量對(duì)象物上的格子圖案進(jìn) 行拍攝而得的格子圖案圖像的每個(gè)像素的相位，進(jìn)行三維形狀測(cè)量的格子投影法是公知 的。
[0003] 圖6是表示基于一維格子投影法的形狀測(cè)量裝置的光學(xué)系統(tǒng)的例子。
[0004] 其是相對(duì)于基準(zhǔn)面，照相機(jī)鏡頭的中心和投影儀的光源的高度相同，照相機(jī)拍攝 面和格子面與基準(zhǔn)面平行的莫爾拓?fù)浞ǖ墓鈱W(xué)系統(tǒng)。在莫爾拓?fù)浞ㄖ?，在圖6的W位置能夠 將白線作為等高線進(jìn)行拍攝，在B的位置能夠?qū)⒑诰€作為等高線進(jìn)行拍攝。
[0005] 在格子投影法中，通過(guò)對(duì)格子的相位進(jìn)行解析而能夠高精度地對(duì)其變形進(jìn)行解 析，能夠高精度地測(cè)量面外變形和三維形狀。作為現(xiàn)有的相位解析法，使用相移法或傅里葉 變換法。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007] 非專利文獻(xiàn)
[0008] 非專利文獻(xiàn)1:新井泰彥，倉(cāng)田忠雄，縞走査干渉計(jì)(7)手法K上?高速如Ο高精度 疔乇7 、、歹 7，法，光學(xué)，Vol. 15，Νο· 5,402-406(1986) ·
[0009] 非專利文獻(xiàn)2:森本吉春，藤垣元治，米山聡:Ρ法·格子法匕上0形狀?變形 計(jì)測(cè)幻最近(7)研究，非破壊検査，52-3(2003)，116-121.
[0010] 非專利文獻(xiàn)3:李志遠(yuǎn)，森本吉春，藤垣元治，f ^ ^夕、'壬7レ法Κ上§構(gòu)造物 仍非接觸變位分布計(jì)測(cè).日本工業(yè)出版検査技術(shù)，14(5)，（2009)，1-6
[0011 ] 非專利文南犬4:Takeda，M.and Mutoh，K.，F(xiàn)ourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes，Applied Optics，22-24，3977-3982 (1983).
[0012] 非專利文獻(xiàn)5 :Morimoto，Y ·，Seguchi，Y · and Higashi，T ·，Two-dimensional Moire Method and Grid Method Using Fourier Transform Experimental Mechanics, Vol.29, No.4,399-404(1989).
[0013] 非專利文獻(xiàn)6:藤垣元治，森本吉春，全空間亍一羅少化手法格子投影三次 元形狀計(jì)測(cè)，実験力學(xué)，8-4，92-98 (2008) ·

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明要解決的課題
[0015] 在格子投影法和莫爾法中，通過(guò)對(duì)格子的相位進(jìn)行解析，能夠高精度地解析對(duì)象 的變形，能夠進(jìn)行面內(nèi)變形和三維形狀的高精度的測(cè)量(非專利文獻(xiàn)1、2)。作為現(xiàn)有的相位 解析法，使用相移法或傅里葉變換法。其中，采樣莫爾法(非專利文獻(xiàn)3)和傅里葉變換法(非 專利文獻(xiàn)4、5)能夠通過(guò)1幅圖像對(duì)相位進(jìn)行解析，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)物體等的解析有用。
[0016] 為了實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體，需要高速地進(jìn)行計(jì)算，盡量通過(guò)較少的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相 位計(jì)算為較佳。然而，采樣莫爾法使用2個(gè)周期的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相位計(jì)算，傅里葉變換法使用 所有像素的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相位解析，無(wú)法通過(guò)較少的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像中的測(cè)量。
[0017] 用于解決課題的手段
[0018] 本發(fā)明是通過(guò)傅里葉變換等對(duì)格子1個(gè)周期量的圖像數(shù)據(jù)解析相位的新的格子投 影法。由此，能夠根據(jù)1幅圖像高速地解析相位分布，也能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像的解析。
[0019]發(fā)明效果
[0020] 本發(fā)明的特征如以下所示。
[0021] (1)因?yàn)槭腔谙辔唤馕龅臏y(cè)量，因此精度良好。
[0022] (2)能夠通過(guò)1幅圖像進(jìn)行相位解析，因此能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體的形狀測(cè)量。
[0023] (3)通過(guò)傅里葉變換僅提取頻率1，因此也可以不投影具有準(zhǔn)確的余弦波的亮度分 布的格子。
[0024] (4)此外，通過(guò)傅里葉變換僅提取頻率1，因此能夠自動(dòng)地刪除在高頻部分出現(xiàn)的 噪聲，因此抗噪性強(qiáng)。
[0025] (5)處理簡(jiǎn)單，能夠高速地進(jìn)行處理。
[0026] (6)計(jì)量長(zhǎng)度為N像素，比采樣莫爾法短。一般，計(jì)量長(zhǎng)度也比數(shù)字圖像相關(guān)法短。
[0027] (7)在采樣莫爾法中，通過(guò)直線插補(bǔ)生成了莫爾條紋，但本發(fā)明與余弦波取得了相 關(guān)，因此精度更尚。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是莫爾拓?fù)浞ǖ墓鈱W(xué)系統(tǒng)的說(shuō)明圖。
[0029] 圖2A是照相機(jī)拍攝面的1個(gè)像素看到的物體的相位與基準(zhǔn)面的相位的關(guān)系的說(shuō)明 圖。
[0030] 圖2B是照相機(jī)拍攝面的1個(gè)像素看到的物體的相位與基準(zhǔn)面的相位的關(guān)系的說(shuō)明 圖。
[0031] 圖3是實(shí)施例1的裝置整體的結(jié)構(gòu)。
[0032] 圖4是映照到照相機(jī)拍攝面的格子的影像。
[0033]圖5A是格子的處理順序。
[0034]圖5B是格子的處理順序。
[0035]圖5C是格子的處理順序。
[0036]圖6是格子投影法的光學(xué)系統(tǒng)(莫爾拓?fù)浞ǎ?br>【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明是通過(guò)照相機(jī)拍攝物體面的格子并進(jìn)行解析、測(cè)量的方法。不僅可以測(cè)量 物體面的高度來(lái)測(cè)量物體面形狀，而且也可以通過(guò)用照相機(jī)拍攝設(shè)置于物體面的格子花紋 來(lái)測(cè)量物體面的橫向位移。
[0038]首先，對(duì)測(cè)定原理進(jìn)行說(shuō)明。
[0039]〈光學(xué)系統(tǒng)和坐標(biāo)〉
[0040]圖1、2表示形狀測(cè)量裝置的格子投影機(jī)構(gòu)和測(cè)量對(duì)象物的說(shuō)明用概要圖。
[0041]首先，在圖1中進(jìn)一步說(shuō)明莫爾拓?fù)浞ǖ墓鈱W(xué)系統(tǒng)。
[0042] L表示光源位置，V表示照相機(jī)鏡頭的中心。格子位于從光源位置L起距離d的位置， 1個(gè)周期的寬度為P。
[0043]在該光學(xué)系統(tǒng)中，相對(duì)于基準(zhǔn)面，照相機(jī)鏡頭的中心V和投影儀的光源L的高度相 等，照相機(jī)拍攝面和格子面與基準(zhǔn)面平行。
[0044]物體面位于從光源L離開(kāi)距離zl的位置，基準(zhǔn)面位于從光源L離開(kāi)距離z2的位置， 格子面位于從光源L離開(kāi)d的位置。格子面與基準(zhǔn)面平行，描繪了周期為p的等間隔的一維格 子線。光源使用點(diǎn)光源，但也可以使用與格子線平行的1行線光源。
[0045] 將包含光源L且與基準(zhǔn)面平行的面稱為光源面。為了說(shuō)明，將光源設(shè)為原點(diǎn)，取X、 y、z坐標(biāo)，將與基準(zhǔn)面垂直的方向設(shè)為z方向。在圖1中，下方為z方向的正向。
[0046] 與描繪在格子面上的格子線垂直的方向?yàn)閄方向，與格子線平行的方向?yàn)閥方向。 照相機(jī)鏡頭的中心位于光源面內(nèi)，在X方向離光源L有距離v。照相機(jī)拍攝面與基準(zhǔn)面和格子 面平行，照相機(jī)拍攝面的像素坐標(biāo)(i，j)的i方向、j方向分別與X方向和y方向一致。
[0047]在該光學(xué)系統(tǒng)中，不論物體面和基準(zhǔn)面為怎樣的高度，照相機(jī)拍攝面中的格子1個(gè) 周期的圖像是相同寬度。因此，若設(shè)定成將格子的1個(gè)周期映照到數(shù)字照相機(jī)拍攝面的N像 素中，則無(wú)論物體面和基準(zhǔn)面為怎樣的高度，都將格子1個(gè)周期的圖像映照到N像素中。若通 過(guò)圖1說(shuō)明該現(xiàn)象，則如以下所示。
[0048] 投影的格子1個(gè)周期的影子在物體面內(nèi)為xl，在基準(zhǔn)面內(nèi)為x2。離光源面的距離在 物體面內(nèi)為zl，在基準(zhǔn)面內(nèi)為z2,在照相機(jī)拍攝面內(nèi)為z3,在格子面內(nèi)為d。
[0049] 格子1個(gè)周期p的影子在物體面內(nèi)成為對(duì)p進(jìn)行zl/d倍運(yùn)算而得的xl，在基準(zhǔn)面內(nèi) 成為對(duì)P進(jìn)行z2/d倍運(yùn)算而得的x2。照相機(jī)拍攝面中的大小x4是對(duì)xl進(jìn)行z3/zl倍運(yùn)算而得 的大小，x5是對(duì)x2進(jìn)行z3/z2倍運(yùn)算而得的大小，因此x4和x5都是p的z3/d倍。即，映照到照 相機(jī)拍攝面的格子的1個(gè)周期的大小根據(jù)從光源面到格子的距離與從照相機(jī)鏡頭的中心到 照相機(jī)拍攝面的距離的比來(lái)決定，不會(huì)被到物體面或基準(zhǔn)面的距離影響。
[0050] 因此，映照到照相機(jī)拍攝面的格子的數(shù)量始終與照相機(jī)拍攝面的像素?cái)?shù)成正比， 捕捉格子1個(gè)周期的像的照相機(jī)的傳感器像素?cái)?shù)不依賴于測(cè)量對(duì)象物體的高度而恒定。即， 若設(shè)定成將格子1個(gè)周期映照到N像素，則在連續(xù)的N像素中始終映照有格子1周期量。
[0051] 另一方面，在圖1中，如根據(jù)x4和x5的位置的偏差判斷出的那樣，若到物體面或基 準(zhǔn)面的距離變化，則格子映照到照相機(jī)拍攝面的位置變化。換言之，根據(jù)從基準(zhǔn)面到物體面 的高度，映照到照相機(jī)拍攝面的像素的格子的相位發(fā)生變化。
[0052] 根據(jù)以上，若進(jìn)行相位解析，則能夠求出其高度。即，若對(duì)N像素進(jìn)行傅里葉變換， 提取具有最大功率譜的頻率1，并求出該頻率1的相位，則能夠測(cè)量物體面等的高度。此外， 在進(jìn)行實(shí)際的測(cè)定時(shí)，也能夠根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定所述頻率，根據(jù)求出該預(yù)先設(shè)定的頻 率的相位測(cè)量物體面等的高度。
[0053] 另外，如上所述，優(yōu)選的是對(duì)鏡頭的放大率進(jìn)行調(diào)整，以使投影到基準(zhǔn)面的格子1 個(gè)周期成為數(shù)字照相機(jī)的N像素。
[0054] 接著，使用圖2對(duì)求出從基準(zhǔn)面到物體面的高度的方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0055]圖2A是對(duì)圖2B的上部進(jìn)行放大而得的圖。
[0056] 首先，使照相機(jī)鏡頭的中心V位于X軸上的坐標(biāo)(v，0,0)的位置。即，照相機(jī)鏡頭的 中心V離光源L有距離V。在基準(zhǔn)面的點(diǎn)R映照的照相機(jī)拍攝面的像素，當(dāng)放置物體時(shí)映照物 體面的點(diǎn)S。在圖2中示出了通過(guò)該像素和點(diǎn)S、點(diǎn)R的線作為照相機(jī)視線。將物體面中的點(diǎn)S 垂直地投影到z軸的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B，將基準(zhǔn)面中的點(diǎn)R垂直地投影到z軸的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)I。此外，將 從光源的位置L向點(diǎn)R的光通過(guò)格子面的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)Q，將從光源的位置L向點(diǎn)R的光橫切從物 體面的點(diǎn)S垂直地投影到z軸的線的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)P。并且，將從光源的位置L向點(diǎn)S光通過(guò)格子面 的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)G。將z軸和格子面的交點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)C。點(diǎn)E是格子的原點(diǎn)，將點(diǎn)C與點(diǎn)E之間的距離設(shè) 為e。然后，將點(diǎn)I與點(diǎn)B之間的距離，即從基準(zhǔn)面到物體面的高度設(shè)為h。
[0057] 〈投影格子的相位〉
[0058] 當(dāng)前，位于z = d的格子的透射率分布Ig是余弦波狀，由下式表示。