基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌 測(cè)量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維形貌測(cè)量技術(shù)已逐步成為信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。由于具有較高的測(cè)量精 度，基于條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺、醫(yī)療、安保、文物保護(hù)等方 面已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。
[0003] 基于條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)基本原理是將由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的正弦條紋信號(hào) 投影到待測(cè)量物體和參考平面表面，然后用照相機(jī)拍攝變形的條紋圖像和參考條紋圖像， 通過對(duì)條紋圖像進(jìn)行分析處理得到被測(cè)量物體的三維形貌數(shù)據(jù)。
[0004] 然而，現(xiàn)有的條紋投影測(cè)量方法大多只適用單角度投影，但單角度投影產(chǎn)生的物 體表面陰影區(qū)域無法獲得測(cè)量結(jié)果，影響到測(cè)量結(jié)果的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量方法 及裝置，以通過雙角度的條紋投影，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。
[0006] 第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量 方法，應(yīng)用于包括兩臺(tái)投影儀、一臺(tái)照相機(jī)以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，其中所述照相機(jī)的光軸 垂直于參考平面，兩臺(tái)投影儀的光軸與所述照相機(jī)的光軸處于同一平面且在所述照相機(jī)的 左右兩側(cè)與所述照相機(jī)的光軸呈相同夾角，所述方法包括：
[0007] 通過所述計(jì)算機(jī)控制所述兩臺(tái)投影儀分別從不同角度投影相同頻率的條紋到被 測(cè)物體的表面上；
[0008] 通過所述照相機(jī)拍攝所述兩臺(tái)投影儀投影的條紋圖像；
[0009] 根據(jù)拍攝的所述條紋圖像計(jì)算出各個(gè)角度條紋的相位圖函數(shù)；
[0010]通過空間相位展開方法對(duì)各個(gè)角度條紋的所述相位圖函數(shù)進(jìn)行相位展開；
[0011] 根據(jù)相位展開的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得被測(cè)物體的三維形貌數(shù)據(jù)。
[0012] 第二方面，一種基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量裝置，應(yīng)用于包括兩 臺(tái)投影儀、一臺(tái)照相機(jī)以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，其中所述照相機(jī)的光軸垂直于參考平面，兩 臺(tái)投影儀的光軸與所述照相機(jī)的光軸處于同一平面且在所述照相機(jī)的左右兩側(cè)與所述照 相機(jī)的光軸呈相同夾角，所述裝置包括：
[0013] 投影單元，用于通過所述計(jì)算機(jī)控制所述兩臺(tái)投影儀分別從不同角度投影相同頻 率的條紋到被測(cè)物體的表面上；
[0014] 拍攝單元，用于通過所述照相機(jī)拍攝所述兩臺(tái)投影儀投影的條紋圖像；
[0015] 計(jì)算單元，用于根據(jù)拍攝的所述條紋圖像計(jì)算出各個(gè)角度條紋的相位圖函數(shù)；
[0016] 處理單元，用于通過空間相位展開方法對(duì)各個(gè)角度條紋的所述相位圖函數(shù)進(jìn)行相 位展開；
[0017] 三維形貌數(shù)據(jù)獲取單元，用于根據(jù)相位展開的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得被測(cè)物體 的三維形貌數(shù)據(jù)。
[0018] 本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是:本發(fā)明實(shí)施例采用雙角度條紋 投影的方式，能夠有效避免投影區(qū)域的死角，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。而且，對(duì)兩個(gè)角度的 測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可消除單角度測(cè)量帶來的陰影區(qū)域并提高測(cè)量結(jié)果的信噪比，具有較 強(qiáng)的易用性和實(shí)用性。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述 中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些 附圖獲得其他的附圖。
[0020] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的投影條紋測(cè)量的示意圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量方法的實(shí) 現(xiàn)流程示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的雙角度單頻率條紋投影測(cè)量的示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量裝置的組 成結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 以下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)之類的具 體細(xì)節(jié)，以便透切理解本發(fā)明實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在沒有這些具體 細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例中也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，省略對(duì)眾所周知的系統(tǒng)、裝置、電 路以及方法的詳細(xì)說明，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本發(fā)明的描述。
[0025] 為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來進(jìn)行說明。
[0026] 請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的投影條紋測(cè)量的示意圖，其中包括一臺(tái)投影儀， 一臺(tái)照相機(jī)，當(dāng)沒有被測(cè)物體存在時(shí)，由投影儀產(chǎn)生的一路數(shù)字光在C點(diǎn)被參考平面反射到 照相機(jī)。而當(dāng)參考平面被撤走時(shí)，相同的一路數(shù)字光在Η點(diǎn)經(jīng)D點(diǎn)被反射到照相機(jī)。即對(duì)同一 路數(shù)字光，由于被測(cè)物體的存在，其在照相機(jī)中拍攝到的空間位置是有差異的，參考條紋的 結(jié)果r(x)=bo+bi cos(23TfQx+i]))(其中bo表示背景光的強(qiáng)度，bi表示投影條紋信號(hào)的強(qiáng)度，X 表示橫坐標(biāo)自變量，fo表示投影信號(hào)的空間頻率，Φ表示初始相位)是由C點(diǎn)直接反射而來， 而變形條紋的結(jié)果d(x)=bo+b icos(23TfQx+i])+(i) (χ))(其中φ (X)表示基頻成分變形條紋相 對(duì)于參考條紋的相移)是由Η點(diǎn)反射而來。因此照相機(jī)兩次拍攝得到參考條紋和變形條紋之 間的絕對(duì)相位差，與C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的絕對(duì)相位差等價(jià)。故對(duì)于D點(diǎn)來說，參考條紋和變形條 紋中第k階諧波的絕對(duì)相位差△ ΦΚ?)可表示如下：
[0027] ΔΦ, (D) = (I) "' (D)-<!>' (!.)) = 2π iJ'D (1)
[0028] 其中扭表示C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的空間位移差。從圖1可知，do表示照相機(jī)出瞳到投影 儀出瞳的距離，Ιο表示參考平面到照相機(jī)出瞳的距離，當(dāng)設(shè)備固定時(shí)dQ、lQ也是固定的。因此 C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的距離取決于C點(diǎn)到參考平面的距離h(x)(即M)，即若斤確定，則h(x)也 可以確定。
[0029]根據(jù)三角形EPHEC與CHD相似，可以得到：
[0030] -^- = -^-- (2)
[0031] 將⑵代入(3)，得到：
[0032] = -；"ΑΦ|(Χ)- (3) L J ΔΦ1(Λ·)-2Λ·/〇?/?
[0033] 從該表達(dá)式可以看出，若獲得了 △ ΦΚχ)，則物體表面的高度數(shù)據(jù)就可以得到?；?于該理由，投影條紋形貌測(cè)量的關(guān)鍵是從r(x)和d(x)中恢復(fù)準(zhǔn)確的△ ΦΚχ)。由于投影的 條紋通常有多個(gè)周期，恢復(fù)的過程一般分為兩個(gè)步驟:第一步是應(yīng)用相位移動(dòng)等條紋分析 技術(shù)分別得到參考條紋和變形條紋的相位圖，相位圖取值的范圍是(_\4,該過程稱為投 影條紋分析;第二步是應(yīng)用相位展開技術(shù)，把Φ; W和 <⑴恢復(fù)出來;第三步是通過參考平 面絕對(duì)相位和變形條紋絕對(duì)相位相減得到Α Φ^χ)，進(jìn)而得到被測(cè)物體的表面三維數(shù)據(jù)。
[0034] 然而，由于現(xiàn)有技術(shù)僅從一個(gè)角度投影條紋，將會(huì)不可避免地在被測(cè)量物體表面 產(chǎn)生陰影區(qū)域，導(dǎo)致所述陰影區(qū)域的三維表面數(shù)據(jù)信息無法提取，影響測(cè)量結(jié)果的可靠性。
[0035] 基于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了基于雙角度單頻率條紋投影的三維形貌測(cè)量方法的 實(shí)現(xiàn)流程(如圖2所示），該方法可適用于包括兩臺(tái)投影儀、一臺(tái)照相機(jī)以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)的系 統(tǒng)，其中所述照相機(jī)的光軸垂直于參考平面，兩臺(tái)投影儀的光軸與所述照相機(jī)的光軸處于 同一平面且在所述照相機(jī)的左右兩側(cè)與所述照相機(jī)的光軸呈相同夾角，優(yōu)選的是，所述夾 角小于30度，兩個(gè)角度投影圖像的區(qū)域可重合。該方法主要包括以下步驟：
[0036] 步驟S201，通過所述計(jì)算機(jī)控制所述兩臺(tái)投影儀分別從不同角度投影相同頻率的 條紋到被測(cè)物體的表面上。
[0037] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙角度單頻率條紋投影測(cè)量的示意圖，所述系統(tǒng)包括 兩臺(tái)投影儀，一臺(tái)CCD照相機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)（圖3未示出）。所述照相機(jī)光軸垂直于參考平面， 兩臺(tái)的投影儀光軸與照相機(jī)光軸處于同一平面且在左邊和右邊與照相機(jī)光軸呈相同夾角， 兩個(gè)角度投影圖像的區(qū)域完全重合。
[0038] 所述兩臺(tái)投影儀投影光軸和照相機(jī)光軸對(duì)稱，以保證兩個(gè)角度投影的條紋圖像位 置完全對(duì)應(yīng)，照相機(jī)的照相區(qū)域可按照投影面積進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0039]在步驟S202中，通過所述照相機(jī)拍攝所述兩臺(tái)投影儀投影的條紋圖像。
[0040] 本發(fā)明實(shí)