專利名稱：采用顏色編碼提高正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)的動(dòng)態(tài)特性的制作方法
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量輪廓術(shù)方法的采用顏色編碼的正交復(fù)合光柵實(shí)現(xiàn)對物體的實(shí)時(shí)三維面形的測量。
二背景技術(shù)：
三維面形測量，在機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測、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、大面積測量、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的研究和應(yīng)用。現(xiàn)有的光
學(xué)三維傳感方法主要包括三角測量法、莫爾條紋法(Moir6 Topography,簡稱MT)、傅里葉變換輪廓術(shù)(Fourier Transform Profilometry,簡稱FTP)、空間相位檢測術(shù)(Spatial Phase Detection,簡稱SPD)、位相測量輪廓術(shù)(Phase MeasuringProfilometry，簡稱PMP)等，這些方法都是通過對受三維物體面形調(diào)制的空間結(jié)構(gòu)光場進(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)光場三維傳感方法是傅立葉變換輪廓術(shù)和位相測量輪廓術(shù)。傅里葉變換輪廓術(shù)是通過對變形條紋圖像進(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)降低測量精度，該方法對環(huán)境光也比較敏感。位相測量輪廓術(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?；谡粡?fù)合光柵的位相測量輪廓術(shù)綜合了位相測量輪廓術(shù)和傅里葉變換輪廓術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使用一幀條紋就可以重建物體的三維面形，并能達(dá)到較高的精度要求；但該方法由于從一幀條紋中提取三幀以上的相移條紋，受到投影系統(tǒng)和成像系統(tǒng)空間帶寬積的限制，解調(diào)出來的相移條紋具有較小的灰度動(dòng)態(tài)范圍，降低了位相提取和三維測量的精度，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)明的目的則是針對對一幀正交復(fù)合條紋進(jìn)行解碼相移條紋灰度變化范圍較低的缺陷，提出一種在三維傳感技術(shù)測量中采用顏色編碼提高正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)的動(dòng)態(tài)特性的方法。這種方法能非常好地做到擴(kuò)大相移條紋的灰度域，實(shí)時(shí)獲得物體表面變形條紋分布的圖像信息，具有較高的測量精度，能真正地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)測量。
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)生所需要的彩色光柵圖案，即對透射光場進(jìn)行面結(jié)構(gòu)和顏色編碼，然后運(yùn)用彩色數(shù)字投影設(shè)備將光柵圖案投影在物體上，降低了正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)對系統(tǒng)空間帶寬積的要求。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明使用顏色編碼的正交復(fù)合光柵，擴(kuò)大了相移條紋的灰度域，提高了正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)的測量精度。
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)具有更高的測量精度；而相比位相測量輪廓術(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)軟件可以靈活設(shè)計(jì)所需要的彩色光柵編碼，因此可以
在很短的時(shí)間內(nèi)得到所需要的光柵圖案。
四

圖1位相測量輪廓術(shù)的光路示意圖。
圖2通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編碼的彩色正交復(fù)合光柵。
圖3受到物體面形調(diào)制的彩色正交復(fù)合光柵變形條紋。
圖4用上述技術(shù)方案恢復(fù)的物體。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖、工作原理對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
先說明用正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維面形的測量。用正交復(fù)合光柵實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維面形測量的光路與傳統(tǒng)的位相測量輪廓術(shù)的光路相似。圖1 是PMP方法的投影光路，《和A是投影系統(tǒng)的入瞳和出瞳，/,和^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e，它們相交 于參考平面上的O點(diǎn)，"為探測器光心到投影設(shè)備光心之間的距離，/為探測器 光心到參考平面之間的距離。
用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一組滿周期等步相移光柵，其投影強(qiáng)度像表示為
7"o(x,7) = a + 6cos(2;n7少；；一2朋/jV) ， ("^i，2…，AO (1)
"表示直流偏置，6M表示條紋對比度，將這組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，得到的正交復(fù)合光柵的投影強(qiáng)度像為
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
頻率&為載頻正弦光柵的頻率，c為正交光柵的直流偏置，"/c為條紋對比
度。當(dāng)一幀正交復(fù)合光柵圖案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得到的變形條紋可以表示為
/(x，少)=c + c/'ZL" + 6cos(2;t773^十^一2朋/A0j'cos(2;z^"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(3)進(jìn)行二維快速 傅里葉變換(FFT)，得到的頻譜(《，7)如下-/附(")=J]/"力e，(—)血辦
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>(4)
式中f，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，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"個(gè)相移光柵變形條紋的頻譜成分 1
<formula>formula see original document page 6</formula>
對(5)進(jìn)行快速逆傅里葉變換(IFFT)得4，艮P:
<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
<formula>formula see original document page 6</formula>
(6)
,&是一虛數(shù)，對；取模即可解調(diào)出一相移光柵變形條紋i,M^
<formula>formula see original document page 6</formula>
(7)
可以看出，從相移正交光柵中解調(diào)出的相移變形光柵/皿&與用傳統(tǒng)的滿周 期等步位相測量輪廓術(shù)直接獲取的相移變形光柵像/。(;c，力只是在強(qiáng)度上有一個(gè) 倍數(shù)關(guān)系。因此，可以用傳統(tǒng)的位相測量輪廓術(shù)的方法對解調(diào)后的變形光柵像進(jìn)行處理，從而獲得物體的三維面形分布。
下面說明顏色編碼的原理。由于投影系統(tǒng)和成像系統(tǒng)空間帶寬積的限制， 從正交復(fù)合條紋中分離出來的相移條紋只有少量的灰度級次，相移的次數(shù)越多， 相移條紋的灰度域越小，這嚴(yán)重地影響了位相提取和三維重建的精度。由于顏 色具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以用顏色替代光強(qiáng)對物體的三維信息進(jìn)行傳遞，即
對正交復(fù)合光柵的條紋像進(jìn)行顏色編碼。如果紅、綠、藍(lán)三基色的色值范圍是[o， 255]，即8位bit的數(shù)據(jù)，理論上講，彩色數(shù)字投影儀總共可以投出224種顏色， 考慮到噪聲和彩色攝象機(jī)的響應(yīng)特性，只選取其中2"種顏色，即取8位bit數(shù)據(jù) 的前5位。將(2)式對應(yīng)的條紋像強(qiáng)度分成215等份，讓每一種強(qiáng)度值對應(yīng)一種顏 色，建立査找表。彩色攝象機(jī)接收到變形的彩色條紋，根據(jù)查找表找到每種顏 色對應(yīng)的光強(qiáng)值，按照傳統(tǒng)的正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)，可以獲得物體的 三維面形。
圖2是用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生成的彩色正交復(fù)合光柵。
圖3是受到物體面形調(diào)制的彩色正交復(fù)合光柵變形條紋。
圖4是用上述技術(shù)方案恢復(fù)的物體。
權(quán)利要求
1.一種適用于三維重建中采用顏色編碼提高正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)動(dòng)態(tài)特性的方法，其特征在于使用數(shù)字投影儀器，將經(jīng)過顏色編碼的正交復(fù)合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圖像，對獲得的光場圖像進(jìn)行處理從而得到物體瞬時(shí)的三維面形分布。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用24位位深的RGB顏色編 碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8位位深的灰度編碼，并考慮RGB三原色的串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)15位位 深顏色編碼，有效提高提高正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)的動(dòng)態(tài)特性。
3. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所說的經(jīng)過顏色編碼的正交復(fù) 合光柵的模板圖案，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編碼的投影面結(jié)構(gòu)調(diào)制模板，包括正 交調(diào)制正弦光柵、正交調(diào)制羅奇光柵等編碼模板。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的對獲得的變形光場圖像 進(jìn)行處理，是利用快速傅里葉變換的方法對變形條紋進(jìn)行顏色解碼、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方法對變形光場進(jìn)行 處理，獲取物體的面形分布。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用顏色編碼提高正交復(fù)合光 柵位相測量輪廓術(shù)的動(dòng)態(tài)特性，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)中采用顏色編碼的正交復(fù)合光柵位相測量輪廓術(shù)對物體的三維面形和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的方法。運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)編碼，采用彩色數(shù)字投影儀，將顏色編碼的面結(jié)構(gòu)調(diào)制模板瞬時(shí)成像在物體表面上，再用彩色攝像裝置記錄下顏色編碼的物體變形條紋圖，隨后對條紋圖進(jìn)行顏色解碼獲取具有2¹⁵給灰度等級的正交復(fù)合光柵，使正交復(fù)合光柵的動(dòng)態(tài)特性由2⁸位深提高到2¹⁵位深，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量研究。本發(fā)明具有測量精度高，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)G01B11/25GK101655358SQ20091005984
公開日2010年2月24日 申請日期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 申請人:四川大學(xué)