一種光學(xué)三維形貌測量方法
【專利摘要】一種光學(xué)三維形貌測量方法，先按照實際測量要求，布置好由投影系統(tǒng)、相機組成的測量系統(tǒng)；然后根據(jù)測量需要設(shè)計條紋圖并由投影系統(tǒng)投影到被測物體表面，被物體反射的條紋圖由相機采樣；再從采樣條紋圖解調(diào)出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值；然后由遠心鏡頭的放大率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被測物體X、Y軸坐標；最后標定得到投影系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合條紋相位，根據(jù)三角關(guān)系求得被測物體Z軸的坐標；本發(fā)明標定過程簡單，既提高了三維坐標的求解速度又能達到更高的測量精度；一次標定即可保證之后所有測量的使用，效率很高。
【專利說明】
-種光學(xué)H維形貌測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于=維測量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種光學(xué)=維形貌測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] S維測量在快速成型、質(zhì)量檢測中有著廣泛的需求。同時，它在逆向工程、醫(yī)療等 領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的=維測量方法主要是接觸式測量，如=坐標測量機。隨著光學(xué) 技術(shù)的進步，光學(xué)=維測量技術(shù)得到了長足的發(fā)展，被越來越廣泛地應(yīng)用到=維測量中。典 型的光學(xué)=維測量方法有點激光掃描測量、線激光掃描測量、結(jié)構(gòu)光投影測量及干設(shè)測量 等。其中，基于正弦條紋投影的結(jié)構(gòu)光投影=維測量方法，由于操作便捷、測量精度較高、測 量速度快、適應(yīng)性好等優(yōu)點，是一種非常優(yōu)越的=維測量手段。
[0003] 正弦條紋投影=維測量輪廓術(shù)需要投影正弦條紋到被測物體表面，反射的條紋圖 像被相機采樣得到，求解采樣條紋相位后，結(jié)合標定得到的測量系統(tǒng)參數(shù)，即可由相位恢復(fù) 被測物體的=維形貌?，F(xiàn)有的正弦條紋投影=維測量輪廓術(shù)具有W下特點：投影的正弦條 紋圖的相位在整個圖像平面內(nèi)沿某一方向呈線性變化;在由單相機-單投影儀構(gòu)成的測量 系統(tǒng)中，相位到被測物體=維形貌的轉(zhuǎn)化總會用到由投影光線與相機采樣光線之間構(gòu)成的 =角關(guān)系，很多情況下需要一個參考面，=維求解過程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)=維形貌測量方 法，使得=維形貌求解過程簡化，X、Y坐標的求解速度及精度得到提高，標定過程簡單，最終 得到更高的測量精度，而且能夠在一次系統(tǒng)標定后即可保證之后所有測量的使用，提高測 量效率。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] -種光學(xué)=維形貌測量方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統(tǒng)、相機組成的測量系統(tǒng)；
[000引步驟2:根據(jù)測量需要設(shè)計投影條紋圖并由投影系統(tǒng)投影到被測物體表面；
[0009] 步驟3:被物體反射的條紋圖由相機采樣；
[0010] 步驟4:從采樣條紋圖解調(diào)出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值；
[0011] 步驟5:由遠屯、鏡頭的放大倍率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到 被測物體X、Y軸坐標；
[0012] 步驟6:標定得到投影系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合條紋相位，根據(jù)=角關(guān)系得到被測物 體Z軸的坐標。
[0013] 所述的步驟1中的投影系統(tǒng)是數(shù)字投影儀，或是點光源與光柵、光掩膜版組成的投 影系統(tǒng)，其投影圖像在量程內(nèi)要能夠覆蓋被測對象但不能過多地超過被測對象，而且投影 光軸與相機光軸需要保持平行。
[0014] 所述的步驟1中的相機配有遠屯、鏡頭，遠屯、鏡頭的參數(shù)根據(jù)實際測量需求選用。
[0015] 所述的步驟2中的投影條紋圖，其灰度值分布需要滿足：
[0016] f(xp,yp)=a+b cos(23t ? r(Xp,yp)/R) (I)
[0017]其中，（xp，yp)表示投影條紋圖像素坐標，a表示條紋背景項，b表示條紋幅值，R為W 像素距離表示的條紋周期，且
[001引
鮮
[0019]其中，（Xp日，yp日讀示投影陣列與投影系統(tǒng)光軸的交點，初步認為該點是投影陣列 的幾何中屯、。
[0020] 所述的步驟4中的相位解調(diào)采用經(jīng)典相位解調(diào)方法，相位解包裹采用經(jīng)典相位解 包裹方法。
[0021] 所沐的巧驢5中被測物體X、Y軸坐標采用如下公式求得：
[0022]
(3)
[0023] 其中：（Xe,yc)為采樣圖像坐標，0為遠屯、鏡頭放大倍率，S為相機像元尺寸。
[0024] 所沐的擊驢fi中獻娜I物化Z業(yè)標的求解公式為：
[0025]
(4)
[0026] 其中，P為投影系統(tǒng)參數(shù)，? (Xe,ye)為采樣圖像點（Xe,ye)的相位值，d(xc，yc)為采 樣圖像上點(xc，y。)與零相位點間的空間距離，通過如下公式計算：
[0027；
(5)
[0028] 其中，（Xc〇，yc〇)為采樣條紋閣零相位點的像素坐標。
[0029] 與傳統(tǒng)的正弦條紋投影=維測量輪廓術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果:不需要 對相機進行標定;被測物體X、Y坐標求解較傳統(tǒng)方法有非常大的簡化，既極大提高了 X、Y坐 標的求解速度也能保證求解精度;被測物體Z坐標的求解中設(shè)及的標定參量少，標定過程簡 單，測量誤差來源少，能夠達到更高的測量精度；當(dāng)投影儀的焦距確定后，一次標定即可保 證之后所有測量的使用，效率極高。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明方法采用的一種測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明方法原理圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明中所使用的條紋圖。
[0033] 圖4為模擬圖3條紋圖投影到待測球形表面采樣得到的條紋圖。
[0034] 圖5為圖4條紋圖的解調(diào)相位圖。
[0035] 圖6為圖4條紋圖的解包裹相位圖。
[0036] 圖7為采用本發(fā)明方法恢復(fù)得到的被測物體=維形貌。
[0037] 圖8為圖7處理后的S維形貌圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0039] -種光學(xué)=維形貌測量方法，包括W下步驟：
[0040] 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統(tǒng)、配有遠屯、鏡頭的相機組成的測量 系統(tǒng)，參照圖1，測量系統(tǒng)中投影系統(tǒng)光軸與相機光軸通過光路設(shè)計等效共線，在實際使用 中，投影系統(tǒng)光軸與相機光軸不必共線，測量原理如圖2所示，其中，ON為投影系統(tǒng)光軸，點B 為投影系統(tǒng)光軸與投影像元陣列間的交點，從光源0發(fā)射的光經(jīng)由A處的投影像元投影照射 到被測物體上的點M，MN為垂直于投影光軸的線段，點N為一虛擬點，在實際中不必求得，圖2 中還標示了 S維重建中所使用的Z坐標，設(shè)M點在采樣圖像上的坐標值為(xc，y。），線段MN的 長度為d(XE，y。），在圖示的定義下，點M的Z坐標為
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 呈：
[0047]
[0048] 步驟2:根據(jù)測量需要設(shè)計投影條紋圖并由投影系統(tǒng)投影到被測物體表面，所用到 的投影條紋圖參照圖3,與傳統(tǒng)的正弦條紋圖不同的是，它的相位并非在整個圖像平面內(nèi)沿 特定方向線性變化，而是W圖像中屯、為中屯、向外線性福射，因而看上去像是一組明暗相間 的圓環(huán)，圖示條紋的周期為10像素，利用投影系統(tǒng)將該條紋投影到被測物體表面；
[0049] 步驟3:被物體反射的條紋圖由配有遠屯、鏡頭的相機采樣，參照圖4,圖4為模擬采 樣得到的條紋圖；
[0050] 步驟4:由采樣條紋相位圖利用四步相移法解調(diào)得到圖4所示條紋圖的包裹相位， 如圖5所示，采用多頻解包裹技術(shù)對圖5所示的包裹相位解包裹，解包裹相位如圖6所示，設(shè) 其值為?(XE，y。）；
[0051] 步驟5:由遠屯、鏡頭的放大率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被 測物體X、Y軸坐標，設(shè)遠屯、鏡頭放大倍率為0 = 0.1，相機像元尺寸S = 0.00 5mm，那么采樣點M 對應(yīng)的橫向坐標可W很容易地求得：
[0化2]
[0化3] 那么有
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[005引最終求解得到的模擬被測物體=維形貌如圖7所示。為了更清楚地看到被測物體 的=維形貌，用模擬被測物體的最大高度1990減去圖7中的數(shù)據(jù)，此時繪制得到的被測物體 =維形貌為圖8所示，可見，本發(fā)明能夠非常便捷地實現(xiàn)對被測對象=維輪廓的測量。
[0059] W上所述僅為本發(fā)明的一個實施例，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明基礎(chǔ)上所 做的任何修改、等同替換及拓展等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統(tǒng)、相機組成的測量系統(tǒng)； 步驟2:根據(jù)測量需要設(shè)計投影條紋圖并由投影系統(tǒng)投影到被測物體表面； 步驟3:被物體反射的條紋圖由相機采樣； 步驟4:從采樣條紋圖解調(diào)出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值； 步驟5:由遠心鏡頭的放大倍率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被測 物體χ、γ軸坐標； 步驟6:標定得到投影系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合條紋相位，根據(jù)三角關(guān)系求得被測物體Ζ軸 的坐標。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟1中的 投影系統(tǒng)是數(shù)字投影儀，或是點光源與光柵、光掩膜版組成的投影系統(tǒng)，其投影圖像在量程 內(nèi)要能夠覆蓋被測對象但不能過多地超過被測對象，而且投影光軸與相機光軸需要保持平 行。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟1中的 相機配有遠心鏡頭，遠心鏡頭的參數(shù)根據(jù)實際測量需求選用。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟2中的 投影條紋圖，其灰度值分布需要滿足： f(xp,yp)=a+bcos(23i · r(xP,yP)/R) (1) 其中，（xP，yP)表示投影條紋圖像素坐標，a表示條紋背景項，b表示條紋幅值，R為以像素 距離表示的條紋周期，且(2) 其中，（XpQ，ypQ)表示投影陣列與投影系統(tǒng)光軸的交點，初步認為該點是投影陣列的幾何 中心。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟5中被 測物體X、Y軸坐標采用如下公式求得：(3) 其中：（υ。)為采樣圖像坐標，s為相機像元尺寸，β為遠心鏡頭放大倍率。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟6中被 測物體Ζ坐標的求解公式為(4) 其中，Ρ為投影系統(tǒng)參數(shù)，Φ(υ。)為采樣圖像點U，y。)的相位值，d(Xc；，y。)為采樣圖 像上點(X。，y。)與零相位點間的空間距離，通過如下公式計算： (5)
【文檔編號】G01B11/25GK105953749SQ201610451777
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】趙宏, 張春偉
【申請人】西安交通大學(xué)