專利名稱：一種可絕對位相展開的十六步雙頻光柵相移輪廓術(shù)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)方法的用雙頻 光柵實(shí)現(xiàn)對物體的三維面形測量。
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、易于自動控制等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的研究和應(yīng)用?，F(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 Measuring Profilometry,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)時性較好，可以用于動態(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。 位相測量輪廓術(shù)的測量精度與光柵條紋周期有關(guān)，小的條紋周期測量精度更高， 但對物體表面面形的適應(yīng)性較差；大的條紋周期對物體表面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性， 但測量精度受到限制。如何既保證位相測量輪廓術(shù)的測量精度，又使之能測量面 形復(fù)雜的物體，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)明的目的則是針對傳統(tǒng)的位相測量輪廓術(shù)無法同時保證測量精度和測量 范圍的缺陷，提出一種在三維傳感技術(shù)測量中用雙頻光柵實(shí)現(xiàn)三維面形測量的方法。這種方法能非常好地做到對面形復(fù)雜的物體的三維重建，并具有較高的測量 精度。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
采用計算機(jī)設(shè)計編碼產(chǎn)生所需要的十六幀雙頻光柵圖案，即對透射光場進(jìn)行 面結(jié)構(gòu)編碼，然后用數(shù)字投影設(shè)備將這些光柵圖案先后投影在物體表面，并用攝 像器件采集受到物體面形調(diào)制的變形條紋。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明使用雙頻光柵，使三維傳感光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠同時保證測量精度和 測量范圍的要求。
2. 本發(fā)明相比其他的雙頻光柵相移輪廓術(shù)，可以直接實(shí)現(xiàn)整個視場范圍內(nèi)點(diǎn) 對點(diǎn)的絕對相位展開，與位相展開路徑無關(guān)，有效抑制了位相展開中的誤差擴(kuò)散 累計問題，具有較高的測量精度。
3. 本發(fā)明相比傅立葉變換輪廓術(shù)具有更高的測量精度；而相比傳統(tǒng)的位相測 量輪廓術(shù)，對物體表面面形具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
4.本發(fā)明通過計算機(jī)軟件可以靈活設(shè)計所需要的光柵編碼，光柵的重復(fù)設(shè)計 過程也非常簡單，因此可以在很短的時間內(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通過計算機(jī)設(shè)計編碼的十六幀雙頻光柵圖案之一。 圖3受到物體面形調(diào)制的十六幀變形條紋之一。 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。
用雙頻光柵實(shí)現(xiàn)實(shí)時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，P,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P，它們
4相交于參考平面上的O點(diǎn)，J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。采用非整數(shù)倍雙頻光柵投影的測量模型，其測量原理如下 采用兩頻率成非整數(shù)比例的雙頻光柵，兩條紋周期為P1、P2且Pl:P2-4:(4n+l)進(jìn)行投影，由CCD獲取的光柵像強(qiáng)度分布為/(x， >0 =爿(x，少)+ 5i (工，；;)cos[——義+《(x,;;)] + 52 (工，少)cos[— :r + 02 (義,>0〗 (1)尸l 尸2其中J(x，力表示背景強(qiáng)度，A(x,力、A(x,力、A(x，力、^Cc,力分別為條紋周 期為Pl、 P2的初始相位和條紋對比。連續(xù)獲取16幀圖像，第k幀圖像的光強(qiáng)分布可表示為2宂 P, 2兀 P-其中=16。由(2)式可得到:《+ 2;r (附—1)i 2 = arCtai/m+12—7針"=&式中m = l —4，由(2)和(3)可得L(-D"c。s(" 令:/ =/ ,-5, cos("可得《=arctan(4^)(2)(3)(4)(5)(6)例如，采用條紋周期？1:/>2=4:33進(jìn)行投影，在x方向上以等間距^/4增長，用 CCD相機(jī)連續(xù)拍攝16幀圖像，其光強(qiáng)分布可表示為=力+ A (at,力cos[— x (" — 1)丄+《〗+ 52 0， x) cos[— x (" — 1) 2 + 6y (7)尸i 4 2 4其中，"為拍攝的條紋圖幀序數(shù)("=1,2..46)，而^-^^-4;r + ^。則拍攝4《 4x4 165的16幀圖像強(qiáng)度可具體表示為:<formula>formula see original document page 6</formula>由方程組(2-37)可得:<formula>formula see original document page 6</formula>由方程組(8)、 (9)可得:<formula>formula see original document page 6</formula>由方程組(l 1 )可得《=arctan(4^<formula>formula see original document page 6</formula>求解出來的《、《包含了物體對條紋1和條紋2的相位調(diào)制，它們都被限制在 (-"，;r)內(nèi)，由于條紋2對物體表面具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，先對《進(jìn)行位相展開，然 后利用《和《的位相關(guān)系對g進(jìn)行位相展開，這樣求解出來的條紋1上物體的絕對 位相具有很強(qiáng)的可靠性。通過對系統(tǒng)的標(biāo)定可以獲得物體的三維面形。圖2是通過計算機(jī)設(shè)計編碼的十六幀雙頻光柵圖案之一。圖3是受到物體面形調(diào)制的十六幀變形條紋之一。 圖4是用上述技術(shù)方案恢復(fù)的物體。
權(quán)利要求
1.一種適用于三維傳感技術(shù)測量中使用雙頻光柵實(shí)現(xiàn)對物體三面形實(shí)時測量的方法，其特征在于使用照明光源，將等步相移雙頻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，對獲得的變形光場圖像進(jìn)行處理從而得到物體瞬時的三維面形分布。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對所設(shè)計的雙頻光柵實(shí)行十六 步相移，利用兩個頻率光柵之間的函數(shù)關(guān)系，直接實(shí)現(xiàn)整個視場范圍內(nèi)點(diǎn)對點(diǎn) 的絕對相位展開，與位相展開路徑無關(guān)。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的雙頻光柵的模板，是指 采用計算機(jī)設(shè)計編碼、采用光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)的投影面結(jié)構(gòu)調(diào)制模板，其包括雙頻 正弦光柵、雙頻羅奇光柵編碼模板。
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，是通過相移法獲得不同頻率條紋的截斷位相，根據(jù)時間位相展開的 方法得到連續(xù)位相，運(yùn)用傳統(tǒng)的位相測量輪廓術(shù)獲取物體的面形分布，這些操 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，其特征在于使用雙頻光柵，研究物體的三 維信息，進(jìn)行模式識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)中一種可絕對位相展開的十六步雙頻光柵相移輪廓術(shù)。采用計算機(jī)進(jìn)行設(shè)計編碼生成十六幅雙頻光柵圖案，運(yùn)用數(shù)字光投影儀依次將光柵圖案瞬時成像在物體表面上，通過攝像裝置記錄下物體的變形條紋圖，隨后利用兩個頻率光柵之間的函數(shù)關(guān)系，用絕對位相展開方法直接實(shí)現(xiàn)整個視場范圍內(nèi)點(diǎn)對點(diǎn)的相位展開，與位相展開路徑無關(guān)，有效抑制位相展開的誤差擴(kuò)散累計問題，用位相測量輪廓術(shù)對這些變形條紋進(jìn)行處理，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，對物體表面形貌適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01B11/25GK101655360SQ200910059848
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)