專利名稱：基于相位級次自編碼的光學(xué)三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)三維傳感技術(shù)，特別是涉及基于相位測量輪廓術(shù)對空間孤立物體的三維面形測量。
背景技術(shù)：
三維物體表面輪廓測量，即三維面形測量，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、易于自動控制等優(yōu)點獲得很大發(fā)展?，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)、相位測量輪廓術(shù)(Phase Measuring ProfiIometry，簡稱PMP)等，這些方法都是通過解調(diào)受三維物體面形調(diào)制的空間結(jié)構(gòu)光場，以獲得三維物體面形的高度信息。其中最常用的空間結(jié)構(gòu)光場三維傳感方法是傅里葉變換輪廓術(shù)和相位測量輪廓術(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、頻域濾波和逆傅里葉變換等步驟實現(xiàn)的。相位測量輪廓術(shù)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，但在傳統(tǒng)的相位測量技術(shù)中，在測量不連續(xù)物體時，相位展開是一個難題，此時通常需要投影額外的編碼圖案，如時間相位展開法或正弦條紋投影與格雷碼方法相結(jié)合等，但是由于投影了額外編碼圖案使得這些方法不適用于對不連續(xù)物體場景的快速三維測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)相位測量輪廓術(shù)中，在測量不連續(xù)物體時，需要投影額外的編碼圖案，提出采用數(shù)字投影設(shè)備投影具有相位級次編碼信息的正弦條紋，將相位分布的微分值或斜率作為編碼通道，完成對各條紋級次的編碼，因此無需投影額外的編碼圖像，即可完成對空間不連續(xù)物體的三維面形測量。本發(fā)明的目的采用下述技術(shù)方案來實現(xiàn)
設(shè)計具有編碼信息的相位分布，根據(jù)編碼相位分布產(chǎn)生用于數(shù)字投影設(shè)備投影的N幀相移正弦條紋(N > 3)，在編碼相位分布中，每個條紋周期作為一個編碼單元，碼值為1或 0，分別對應(yīng)編碼相位微分值或斜率值的正或負(fù)，從而設(shè)計構(gòu)造出一個總長度等于投影條紋周期數(shù)的代碼序列，完成對各條紋級次的編碼；在測量時，投影N幀相移條紋圖，再根據(jù)相移算法計算出截斷相位分布，由其微分值或斜率值確定當(dāng)前周期碼值，然后將該碼值與其相鄰若干周期碼值組成一個代碼子序列，通過查找該子代碼序列在預(yù)先設(shè)計的代碼序列中的位置，就可以確定當(dāng)前周期的級次，從而得到待測物體的絕對相位分布，再根據(jù)已知的相位與高度關(guān)系即可完成待測物體的三維面形重建；最后再采用希爾伯特變換修正因編碼引起的局部相位誤差。與傳統(tǒng)的相位測量輪廓術(shù)相比，新的方法不需要投影額外的編碼圖像， 尤其適用于孤立物體的快速三維面形測量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點1、本發(fā)明將相位級次信息編碼在相位分布中，使得在進(jìn)行光學(xué)三維測量時，不需要投影額外的編碼圖像，即可獲取待測物體的絕對相位分布；
2、本發(fā)明可以根據(jù)待測物體的大小，調(diào)整代碼序列長度，實現(xiàn)對不同尺寸物體的測
量；
3、本發(fā)明與高速投影和記錄設(shè)備相結(jié)合，特別適合于實現(xiàn)孤立物體的快速運(yùn)動面形測量。


圖1為系統(tǒng)的光路示意圖。圖2為傳統(tǒng)的三幀相移條紋圖，其中a)第一幀條紋，b)第二幀條紋，C)第三幀條紋，d)截斷相位，e)截斷相位剖面。圖3為本發(fā)明中提到的基于相位級次自編碼的三幀相移條紋圖，其中a)第一幀條紋，b)第二幀條紋，c)第三幀條紋，d)截斷相位，e)截斷相位剖面與編碼值，f)截斷相位微分。圖4為本發(fā)明中編碼信息引入的相位測量誤差，其中(a) (d)為三幀條紋圖及截斷相位，(e)、h)為條紋圖和截斷相位剖面及條紋編碼值，(i)為展開相位與傳統(tǒng)相移結(jié)果差。圖5為采用希爾伯特變換修正局部相位誤差，其中(a)余弦條紋，(b)余弦條紋剖面，(c)正弦條紋，(d)正弦條紋剖面，(e)截斷相位分布，(f)希爾伯特變換修正后相位與傳統(tǒng)3步相移結(jié)果之差。圖6為本發(fā)明的測量流程圖。圖7為實施例中的測量結(jié)果，其中a)第一幀條紋，b)第二幀條紋，C)第三幀條紋，d)截斷相位，e)絕對相位。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖、工作原理及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。相位級次自編碼的相位測量方法所采用的光路與傳統(tǒng)的相位測量輪廓術(shù)測量光路相似。圖1為三維成像系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由投影儀和攝像機(jī)構(gòu)成，投影儀投出正弦條紋， 攝像機(jī)在另一位置拍攝被物體表面形貌調(diào)制的變形條紋，通過分析拍攝到的圖像計算出相位分布，再根據(jù)相位與高度關(guān)系可以重建出待測物體的三維面形分布。由計算機(jī)生成的待投影N幀相移正弦條紋圖，其強(qiáng)度分布可以表示為
r/、 ι ,2π η 、
/(λ) = a ■+· b cos(——χ + —. 2π)⑴
ρ N
其中a為直流分量，b為調(diào)制度，ρ為條紋周期，N為相移幀數(shù)，η=0，1，···，N-I表示第 η幀條紋圖。χ為投影儀像素坐標(biāo)，若令Φ = 2πχ/ρ，那么φ和χ—樣均為單調(diào)連續(xù)分布的。實際上，由于相移技術(shù)采用反三角函數(shù)計算相位，使得相位分布介于η ]，表示為 Φψ，因此，可以采用截斷相位分布Φψ替代連續(xù)相位Φ，用于產(chǎn)生要投影的標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋圖樣，其強(qiáng)度分布為
權(quán)利要求
1.一種基于相位級次自編碼的光學(xué)三維測量方法，其特征在于將編碼信息加載于待投影的正弦條紋相位分布中，首先構(gòu)造一個代碼序列，每個碼元對應(yīng)一個條紋周期，其碼元值為0或1，由每個碼元和其相鄰若干碼元構(gòu)成一個代碼子序列，使得每一個代碼子序列在整個代碼序列中不重復(fù)出現(xiàn)、從而保證其唯一性，并且各代碼子序列在整個代碼序列中的位置即為相應(yīng)條紋周期的級次，按照此代碼序列就可以構(gòu)造出具有編碼信息的相位分布；然后再根據(jù)此已編碼好的相位分布生成相應(yīng)的相移正弦條紋圖；測量時由數(shù)字投影設(shè)備投影具有相位自編碼信息的相移正弦條紋圖，根據(jù)相移技術(shù)計算出截斷相位分布，并從中提取出各條紋周期的編碼信息，即可確定各條紋周期級次，從而得到待測物體的絕對相位分布， 再根據(jù)已知的相位與高度關(guān)系即可完成待測物體的三維面形重建，本發(fā)明不需要投影額外的編碼圖像，尤其適用于孤立物體的快速三維面形測量。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的將編碼信息加載于待投影的正弦條紋相位分布中，是根據(jù)相位分布的微分值或斜率的正負(fù)建立碼元值與條紋周期的對應(yīng)關(guān)系，微分值或斜率為正的條紋周期碼元值為1，微分值或斜率為負(fù)的條紋周期碼元值為0， 反之亦然。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的由編碼相位分布生成相移正弦條紋圖，是將編碼相位分布用于產(chǎn)生相移正弦條紋的公式中，可以構(gòu)造出任意幀相移正弦條紋， 包括N幀滿周期相移正弦條紋圖和N幀任意步長相移正弦條紋圖等，其中N > 3。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的投影具有相位自編碼信息的相移正弦條紋圖，當(dāng)采用三幀相移時，即投影三幅正弦條紋圖，可以通過RGB顏色耦合方法將包含有編碼信息的三幅正弦條紋圖疊加在一幅彩色圖像中，投影設(shè)備只需投影一幅彩色正弦條紋圖像，再通過RGB顏色分離技術(shù)，可以從拍攝到的變形彩色正弦條紋圖像中分離出具有編碼信息的三幅正弦條紋圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相位級次自編碼的光學(xué)三維測量方法。在傳統(tǒng)的相位測量技術(shù)中，通常需要投影額外的編碼圖案，以實現(xiàn)孤立物體的三維面形測量，本發(fā)明提出數(shù)字投影具有相位級次編碼信息的正弦條紋，將相位分布的微分值或斜率值作為編碼通道，各條紋周期作為一個編碼單元，構(gòu)造一個總長度等于投影條紋周期總數(shù)的代碼序列，再由若干相鄰周期構(gòu)成一個代碼子序列，通過查找代碼子序列在總代碼序列中的位置可以確定該周期的相位級次，從而得到待測物體的絕對相位分布，最后再根據(jù)相位高度關(guān)系重建出待測物體的三維面形。本發(fā)明無需投影額外的編碼圖像，即可完成物體三維信息獲取，特別適用于孤立物體的快速三維面形測量。
文檔編號G01B11/25GK102322823SQ20111026940
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者劉元坤, 向立群, 張啟燦, 蘇顯渝 申請人:四川大學(xué)