專利名稱：基于三色光柵投影的傅里葉變換三維測量法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維信息重構(gòu)的領(lǐng)域?；诓噬鈻磐队埃捎酶道锶~變換法分析變 形光柵圖像求解相對相位，采用雙頻法進行相位展開，得到精確絕對相位的過程。
背景技術(shù)：
三維測量技術(shù)能夠描述物體的三維特征和獲取物體表面的三維信息，在產(chǎn)品檢測 和加工控制、醫(yī)療領(lǐng)域、文物保護領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、文化領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用。在眾多 的三維測量技術(shù)中，光學(xué)三維測量技術(shù)以其非接觸測量、實時性較好等特點成為占主導(dǎo)地 位的三維測量技術(shù)。光學(xué)三維測量技術(shù)是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)，計算機圖像處理，圖形學(xué)， 信號處理等科學(xué)為一體的現(xiàn)代測量技術(shù)。它將光學(xué)圖像作為信息檢測和存儲的實體，從圖 像中獲得三維測量所需信息。相對于其它三維信息測量方法，光學(xué)測量技術(shù)具有高速度、高 精度的特點，從上世紀(jì)60年代以來，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。基于編碼光柵投影的三維 測量技術(shù)最具代表性，應(yīng)用最為廣泛?；诠鈻磐队暗娜S測量就是將光柵圖樣投影到被測物表面，由攝像機獲取變形 的光柵圖像，并由相位與高度的關(guān)系來確定出被測物體相對參考平面的高度信息。當(dāng)光柵 投影到物體表面上時，周期性光柵的相位就受到物體表面高度輪廓的調(diào)制，形成變形光柵， 變形光柵中帶有物體的三維信息。準(zhǔn)確獲取變形光柵圖像的相位分布在整個三維測量過程 中起著關(guān)鍵作用。獲取相位分布的方法主要有相移法，傅里葉變換法，小波分析法。傅里葉變換測量 法是一種常用的非接觸式的三維測量方法，它通過對一幅變形光柵圖像進行全局傅里葉變 換，提取包含相位信息的基頻分量，逆傅里葉變換，進而獲得光柵圖像的相對相位值。相比 于傳統(tǒng)的相移技術(shù)，傅里葉方法測量過程中只需采集一幅光柵圖像，實時性高，真正實現(xiàn)對 動態(tài)物體的測量。但由于在傅里葉變換中真正需要提取的有用信息是基頻分量，背景分量 和高頻分量的頻譜會與基頻分量的頻譜相互重疊，造成頻譜混疊，嚴(yán)重影響了傅里葉變換 三維測量法的測量精度。通常采用的抑制頻譜混疊的措施是拍攝兩幅具有η相移的條紋 圖像，通過兩幅圖像的相減，可以有效地抑制背景分量。但是由于需要采集兩幅圖像，影響 了測量的實時性。由于傅里葉變換法得到的相位值是介于0-2 π的，所以需要進行相位展開得到絕 對相位值。但是因為傅里葉變換在解決具有高度跳變和陡峭斜面物體的相位求解的過程中 會出現(xiàn)誤差，一點的誤差在相位展開時會影響接下來待處理點的相位展開精度，所以會導(dǎo) 致相位展開時產(chǎn)生連續(xù)錯誤，即拉線現(xiàn)象。直接展開相位的掃描線方法速度較快，但魯棒性 較弱，極易產(chǎn)生拉線現(xiàn)象。雙頻法通過投射含有兩種頻率分量的正弦光柵，經(jīng)傅里葉變換濾 波，得到兩種頻率下的相位值，用低頻下得到的相位值修正高頻下得到的相位值，從而修正 高頻下得到的相位不連續(xù)處的錯誤值。但由于雙頻法也是用傅里葉變換求解初始相位，所 以也存在著兩種頻率分量之間的頻譜混疊問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對傅里葉變換三維測量法中存在的頻譜混疊和相位展開過程魯棒性 不高的問題，本發(fā)明的目的在于不影響測量實時性的前提下消除傅里葉變換三維測量法中 的頻譜混疊的影響并提高相位展開過程的精度。本方法僅需投影一幅光柵圖像，改善了測 量的實時性，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，并可以克服被測物體表面反射率不同和表面噪聲等因素， 達(dá)到較好的測量精度，具有較好的魯棒性。技術(shù)方案一種基于三色光柵投影和傅里葉變換的三維形貌測量法，具體步驟如 下步驟1 設(shè)計一幅彩色投影光柵圖像，并將光柵圖像投影到待測物體表面，所述彩 色投影光柵圖像設(shè)置如下f (m, n) = ar+brcos (2 τι f0m) +ag+bgcos (4 τι f0m) +ab其中，a,、ag為R，G分量的背景光強，b,、bg為R，G分量的反射率，ab設(shè)置為R，G兩 分量的平均值，&是R分量正弦條紋的頻率，(m，η)表示光柵圖像的二維坐標(biāo)，G分量正弦 條紋的頻率是R分量正弦條紋的2倍，步驟2 使用彩色CCD對待測物體表面進行拍攝，得到一幅變形光柵條紋圖像g(x,y) = rr (χ, y) [ar+brcos (2 π f0x+ Φ ! (x，y)) ] +rg(x, y) [ag+bgcos (4 π f0x+Φ 2 (χ, y))]+rb (χ, y)ab其中，rr(x, y)、rb(x，y)、rg(x，y)是物體對不同顏色光的反射率，反射率為常數(shù)， Φ1(χ,υ),Φ2(χ,υ)是待求的低頻和高頻的相位分布，(x,y)表示變形光柵條紋圖像的二維 坐標(biāo)，步驟3 從變形光柵條紋圖像中分離得到的彩色圖像的R、G、B分量，并從R、G分量 灰度圖中去除背景分量，得到去除背景分量后的R分量低頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖R1U, y)、去除背景 分量后的G分量高頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖G1 (x, y)，采用如下方法從R分量灰度圖中去除背景分量步驟3. 1. 1 首先求取R分量像素灰度值的平均值叫和方差4，Β分量像素灰度值 的平均值mb和方差db使用以下公式修改R分量的每個像素灰度值T1 (X，y) = r (X，y) +mb_mr
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權(quán)利要求
一種基于三色光柵投影和傅里葉變換的三維形貌測量法，其特征在于，具體步驟如下步驟1設(shè)計一幅彩色投影光柵圖像，并將光柵圖像投影到待測物體表面，所述彩色投影光柵圖像設(shè)置如下f(m，n)＝ar+brcos(2πf0m)+ag+bgcos(4πf0m)+ab其中，ar、ag為R，G分量的背景光強，br、bg為R，G分量的反射率，ab設(shè)置為R，G兩分量的背景光強的平均值，f0是R分量正弦條紋的頻率，(m，n)表示光柵圖像的二維坐標(biāo)，G分量正弦條紋的頻率是R分量正弦條紋的2倍，步驟2使用彩色CCD對待測物體表面進行拍攝，得到一幅變形光柵條紋圖像g(x，y)＝rr(x，y)[ar+brcos(2πf0x+φ1(x，y))]+ag(x，y)[ag+bgcos(4πf0x+φ2(x，y))]+rb(x，y)ab其中，rr(x，y)、rb(x，y)、rg(x，y)是物體對不同顏色光的反射率，反射率為常數(shù)，φ1(x，y)、φ2(x，y)是待求的低頻和高頻的相位分布，(x，y)表示變形光柵條紋圖像的二維坐標(biāo)，步驟3從變形光柵條紋圖像中分離得到的彩色圖像的R、G、B分量，并從R、G分量灰度圖中去除背景分量，得到去除背景分量后的R分量低頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖R1(x，y)、去除背景分量后的G分量高頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖G1(x，y)，步驟4對R分量低頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖R1(x，y)、G分量高頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖G1(x，y)做傅里葉變換，分別得到R分量的相對相位分布和G分量的相對相位分布，對去除背景分量后的R分量低頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖R1(x，y)做傅里葉變換，得到R分量的相對相位分布的過程如下步驟4.1.1將R1(x，y)表示成指數(shù)形式 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>+</mo><mo>&infin;</mo> </mrow></munderover><msub> <mi>A</mi> <mi>n</mi></msub><mi>expi</mi><mo>[</mo><mn>2</mn><mi>&pi;n</mi><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub><mi>x</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><msub> <mi>&phi;</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>其中，當(dāng)n＝0時，An＝0，表示虛數(shù)單位，步驟4.1.2視y為常數(shù)，采用1維快速傅里葉變換算法對低頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖R1(x，y)的每行進行傅里葉變換，變換過程為 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> </mrow> <mrow><mo>+</mo><mo>&infin;</mo> </mrow></msubsup><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>&pi;ifx</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dx</mi> </mrow>得到頻域的表達(dá)式為 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>+</mo><mo>&infin;</mo> </mrow></munderover><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <msub><mi>f</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Qn(f nf0，y)是Anrr(x，y)exp[inφ1(x，y)]相應(yīng)的在頻域的表達(dá)式，f表示頻域的變量，步驟4.1.3對Qn(f nf0，y)進行濾波并提取出Q1(f f0，y)，再對Q1(f f0，y)進行逆傅里葉變換，得到含有相位信息的A1rr(x，y)exp[iφ1(x，y)]，計算A1rr(x，y)exp[iφ1(x，y)]的角度值即可得到含有物體高度信息的R分量相對相位值φ1(x，y)，得到的相位值是介于0 2π之間；對去除背景分量后的G分量高頻標(biāo)準(zhǔn)灰度圖G1(x，y)做傅里葉變換，得到G分量的相對相位分布的過程如下步驟4.2.1將G1(x，y)表示成指數(shù)形式 <mrow><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>g</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> 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</mrow>得到頻域的表達(dá)式為 <mrow><msub> <mi>G</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>+</mo><mo>&infin;</mo> </mrow></munderover><msub> <mi>P</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <msub><mi>f</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Pn(f nf0，y)是Bnrg(x，y)exp[inφ1(x，y)]相應(yīng)的在頻域的表達(dá)式，f表示頻域的變量，步驟4.2.3對Pn(f nf0，y)進行濾波并提取出P1(f f0，y)，再對P1(f f0，y)進行逆傅里葉變換，得到含有相位信息的B1rg(x，y)exp[iφ2(x，y)]，計算B1rg(x，y)exp[iφ2(x，y)]的角度值即可得到含有物體高度信息的G分量相對相位值φ2(x，y)，得到的相位值是介于0 2π之間；步驟5步驟5.1采用掃描線法直接展開步驟4中得到的R分量的相對相位值φ1(x，y)即通過以下公式逐點掃描，直到相位分布中無大于π的跳變?yōu)橹蛊渲?，為展開后的低頻絕對相位，φ1(x，y)為相對相位，Δφ1為相鄰兩點之間的相位差值，步驟5.2采用掃描線法直接展開步驟4中得到的G分量的相對相位值φ2(x，y)即通過以下公式逐點掃描，直到相位分布中無大于π的跳變?yōu)橹蛊渲校瑸檎归_后的高頻絕對相位，φ2(x，y)為相對相位，Δφ2為相鄰兩點之間的相位差值步驟6由步驟5中得到的低頻絕對相位和高頻絕對相位采用雙頻法校正高頻絕對相位高頻絕對相位消除誤差，得到最終的展開相位結(jié)果步驟7讀取最終的展開相位結(jié)果根據(jù)經(jīng)典光柵投影的由展開相位結(jié)果到物體高度h(x，y)的轉(zhuǎn)換公式，最終求得測量物體的三維信息，所述的轉(zhuǎn)換公式為其中，l、d是測量系統(tǒng)的幾何參數(shù)，l是投影儀到測量平面的距離，d是CCD攝像頭到投影儀的距離，表示相位變化量，為展開相位結(jié)果，為初始相位結(jié)果，ω0為投影光柵的角頻率。FSA00000281375900012.tif,FSA00000281375900024.tif,FSA00000281375900031.tif,FSA00000281375900032.tif,FSA00000281375900033.tif,FSA00000281375900034.tif,FSA00000281375900035.tif,FSA00000281375900036.tif,FSA00000281375900037.tif,FSA00000281375900038.tif,FSA00000281375900039.tif,FSA000002813759000310.tif,FSA000002813759000311.tif,FSA000002813759000312.tif,FSA000002813759000313.tif,FSA000002813759000314.tif,FSA000002813759000315.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彩色光柵投影和傅里葉變換的三維形貌測量法，其特征 在于，采用如下方法從R分量灰度圖中去除背景分量步驟3. 1. 1 首先求取R分量像素灰度值的平均值ην和方差dr，B分量像素灰度值的平 均值mb和方差db使用以下公式修改R分量的每個像素灰度值 T1 (X，y) = r (X, y) +mb-mr
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彩色光柵投影和傅里葉變換的三維形貌測量法，其特征在于步驟6中雙頻法為步驟6. 1 讀入得到的低頻絕對相位奶(U)和高頻絕對相位夠(X,少)，步驟6. 2 遍歷灼(Xj)、釣，計算兩者之間的差異程度，即得到以下參數(shù)的分布
全文摘要
一種新的基于三色光柵投影的傅里葉變換三維測量法。其主要目的在于精確得求解出光柵圖像的相位分布，由相位分布得到物體的三維形貌信息。其實現(xiàn)步驟為投影光柵中的RG分量的灰度值設(shè)置為兩種不同頻率的正弦變化規(guī)律，B分量設(shè)置為R或G分量的平均值，形成一幅彩色光柵圖像投影到被測物體上。將采集到的彩色變形光柵圖像的3種分量分離，對分離后的3幅灰度圖像進行處理，同時可以在采用傅里葉變換法求取相對相位時抑制背景分量和高頻噪聲，在相位展開時用兩種頻率下的相對相位值進行比較校正，達(dá)到精確求取含有高度信息的絕對相位的目的。整個測量過程只需投射一幅光柵圖像，實時性較好。
文檔編號G01B11/25GK101986098SQ20101029022
公開日2011年3月16日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者達(dá)飛鵬, 黃昊 申請人:東南大學(xué)