動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，根據(jù)置于測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，根據(jù)所述相移彩色條紋圖確定測(cè)量相位，并且根據(jù)去包裹方法對(duì)所述測(cè)量相位進(jìn)行相位展開，最后根據(jù)相位?高度一一對(duì)應(yīng)性以及相位?高度查找表進(jìn)行三維重建。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高精度深度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)行高精度的動(dòng)態(tài)物體三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量；將為動(dòng)態(tài)復(fù)雜物體三維測(cè)量開拓新途徑，有望實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠大大提高在線工業(yè)檢測(cè)(閉環(huán)質(zhì)量控制)、機(jī)器人技術(shù)(精確導(dǎo)航)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)三維測(cè)量(旋轉(zhuǎn)葉片，人臉表情)的技術(shù)水平。
【專利說(shuō)明】
動(dòng)態(tài)物體的H維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度、高速動(dòng)態(tài)物體=維測(cè)量技術(shù)可W快速獲取零部件的=維特征、形狀尺寸、 工作姿態(tài)等重要信息，并可將其測(cè)量結(jié)果反饋給制造過(guò)程，W改進(jìn)加工質(zhì)量、加工精度，因 此其技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)、工況下零部件=維形狀測(cè)量、變形或振動(dòng)分析等工業(yè)場(chǎng)合有著大量 的需求。如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)葉片等重要部件，在工況下會(huì)產(chǎn)生變形，從 而極大地影響機(jī)械設(shè)備工作性能，而且當(dāng)變形超過(guò)一定闊值時(shí)會(huì)引發(fā)其自身的材料失效、 斷裂，并造成嚴(yán)重的安全事故。
[0003] 如果能獲得零部件在工況下的瞬時(shí)全場(chǎng)=維形貌，通過(guò)對(duì)瞬態(tài)全場(chǎng)=維變形分 析，監(jiān)控工件的實(shí)時(shí)全場(chǎng)=維應(yīng)變、應(yīng)力分布W及形變異常，可實(shí)現(xiàn)工件故障實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù) 警，同時(shí)也有助于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造，然而目前大多數(shù)商業(yè)化的3D輪廓測(cè)量系統(tǒng)由于 使用了投影儀，體積龐大、價(jià)格昂貴，同時(shí)必須進(jìn)行g(shù)amma校正，否則會(huì)極大地降低的=維測(cè) 量精度，DLP投影儀由于采用了光學(xué)積分原理(整個(gè)積分過(guò)程持續(xù)數(shù)毫秒），在動(dòng)態(tài)測(cè)量場(chǎng)合 數(shù)據(jù)采集較慢?；贚CD投影儀的條紋投影輪廓術(shù)，受LCD投影儀最大投射帖率（120HZ)限 審IJ，其測(cè)量速度難W進(jìn)一步提高。由于明顯不同于靜態(tài)=維測(cè)量，動(dòng)態(tài)=維測(cè)量數(shù)據(jù)采集和 處理要求苛刻，均需在極短的時(shí)間完成，且要求足夠的精度。迄今為止，還沒(méi)有一種方法和 測(cè)量?jī)x器可W完全勝任運(yùn)些需求。因此發(fā)展一種同時(shí)具有高精度、高速的特性且測(cè)量系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜的動(dòng)態(tài)物體=維輪廓測(cè)量系統(tǒng)仍充滿了巨大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，該方法為:根據(jù)置于 測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，根據(jù)所述相移彩色條紋圖確 定測(cè)量相位，并且根據(jù)去包裹方法對(duì)所述測(cè)量相位進(jìn)行相位展開，最后根據(jù)相位-高度一一 對(duì)應(yīng)性W及相位-高度查找表進(jìn)行=維重建。
[0007] 上述方案中，所述相位-高度查找表的建立方法為:通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于測(cè)量空 間的參考面進(jìn)行照射，并且采集在整個(gè)測(cè)量高度范圍內(nèi)移動(dòng)的參考面的條紋圖；根據(jù)所述 條紋圖確定每次移動(dòng)參考面后的參考面相位，并展開包裹相位;根據(jù)參考面移動(dòng)的高度分 布和對(duì)應(yīng)的相位建立相位-高度查找表。
[000引上述方案中，所述相位-高度查找表的建立方法所述相位-高度查找表的建立方 法，具體為:首先加工一塊平面板，與理想平面最大誤差不超過(guò)20微米，作為標(biāo)定板，將所述 標(biāo)定板置于測(cè)量空間的參考面位置;通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于測(cè)量空間的參考面進(jìn)行照射，投 射正弦條紋圖，并使用攝像機(jī)記錄該正弦條紋圖；然后應(yīng)用精密位移臺(tái)帶動(dòng)標(biāo)定板在測(cè)量 空間沿Z軸W等步長(zhǎng)小位移的方法移動(dòng)一系列位置，移動(dòng)范圍為系統(tǒng)的測(cè)量深度范圍，同樣 記錄相應(yīng)位置的條紋圖，然后應(yīng)用隨機(jī)相移算法解調(diào)當(dāng)前位置的相位，應(yīng)用典型的相移算 法展開其相位，并應(yīng)用鏈表數(shù)據(jù)格式將移動(dòng)的各深度與其對(duì)應(yīng)的相位存儲(chǔ)，即建立相位-高 度查找表。
[0009] 上述方案中，所述根據(jù)置于測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色 條紋圖，具體為:在單次拍攝條件下攝取復(fù)色條紋圖，把所述攝取的復(fù)色條紋分離形成單色 條紋圖，并進(jìn)行顏色串?dāng)_校正，獲得用于解調(diào)物體表面形貌的相移彩色條紋圖。
[0010] 上述方案中，把所述攝取的復(fù)色條紋分離形成單色條紋圖，并進(jìn)行顏色串?dāng)_校正， 具體為:使用如下色彩恢復(fù)模型
[0011] (1)
[0012] 其中，fV(x，y)，i = R，G，B為顏色解禪、色彩平衡及反射率歸一化后的各顏色通道 條紋圖，Mref、Mbal、Mcdu分別表示各顏色光線相對(duì)反射率矩陣、色彩平衡矩陣及顏色禪合矩 陣，通過(guò)典型的標(biāo)定方法獲得，且有：
[0013]
[0014]
[0015] 6
[0016] 與現(xiàn)有巧術(shù)相比，本發(fā)明的有益效呆：
[0017] 1、本發(fā)明通過(guò)配置兩個(gè)紅、藍(lán)光源同時(shí)照射實(shí)柵為測(cè)量空間投射相移條紋圖，將 相移過(guò)程與高速CMOS攝像機(jī)的采集過(guò)程同步起來(lái)，在單次拍攝下快速采樣相移條紋圖數(shù) 據(jù)，把相移技術(shù)思想應(yīng)用于相位解調(diào)過(guò)程中，利用相位-高度的一一對(duì)應(yīng)性，通過(guò)建立查找 表對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)高精度深度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)行高精 度的動(dòng)態(tài)物體=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量;將為動(dòng)態(tài)復(fù)雜物體=維測(cè)量開拓新途徑，有望實(shí)現(xiàn)設(shè)備 狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠大大提高在線工業(yè)檢測(cè)（閉環(huán)質(zhì)量控制）、機(jī)器人技術(shù)(精確 導(dǎo)航）、動(dòng)態(tài)目標(biāo)=維測(cè)量(旋轉(zhuǎn)葉片，人臉表情)的技術(shù)水平；
[0018] 2、本發(fā)明與數(shù)字條紋投影法相比，由于沒(méi)有使用投影儀，節(jié)省了結(jié)構(gòu)空間，其結(jié)構(gòu) 可W做的更緊湊，相移過(guò)程僅通過(guò)增加光源完成，因此本發(fā)明的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便 宜；
[0019] 3、本發(fā)明將被測(cè)物體置于測(cè)量空間，通過(guò)發(fā)展的虛擬儀器，完成相關(guān)初始化設(shè)置 后，一次可W自動(dòng)完成測(cè)量，也可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。
[0020] 4、本發(fā)明不需要光源的一致性，對(duì)環(huán)境要求低，適用于工業(yè)場(chǎng)合的測(cè)量需要。
[0021] 5、本發(fā)明運(yùn)用隨機(jī)相移技術(shù)進(jìn)行相位解調(diào)，利用相位一高度一一對(duì)應(yīng)性，直接通 過(guò)查找表進(jìn)行相位-高度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)其中的測(cè)誤差校正，并降低測(cè)量裝置精度要求。
[0022] 6、本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集速度快，采集速度即為攝像機(jī)帖率，能夠通過(guò)該方法對(duì)動(dòng)態(tài) 物體表面形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠自動(dòng)、高精度完成被測(cè)物體表面形貌測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)工況下 機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件變形監(jiān)控等打下基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量裝置示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，該方法為:根據(jù)置于 測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，根據(jù)所述相移彩色條紋圖確 定測(cè)量相位，并且根據(jù)去包裹方法對(duì)所述測(cè)量相位進(jìn)行相位展開，最后根據(jù)相位-高度一一 對(duì)應(yīng)性W及相位-高度查找表進(jìn)行=維重建。
[0027] 所述相位-高度查找表的建立方法為:通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于測(cè)量空間的參考面進(jìn) 行照射，并且采集在整個(gè)測(cè)量高度范圍內(nèi)移動(dòng)的參考面的條紋圖；根據(jù)所述條紋圖確定每 次移動(dòng)參考面后的參考面相位，并展開包裹相位O ;根據(jù)參考面移動(dòng)的高度分布和對(duì)應(yīng)的 相位建立相位-高度查找表。
[0028] 具體為:首先加工一塊平面板，如其大小為50mmX50mm，與理想平面最大誤差不超 過(guò)20微米，作為標(biāo)定板，將所述標(biāo)定板置于測(cè)量空間的參考面位置;通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于 測(cè)量空間的參考面進(jìn)行照射，投射正弦條紋圖，并使用攝像機(jī)記錄該正弦條紋圖；然后應(yīng)用 精密位移臺(tái)帶動(dòng)標(biāo)定板在測(cè)量空間沿Z軸W等步長(zhǎng)小位移的方法移動(dòng)一系列位置，如移動(dòng) 步長(zhǎng)1微米，移動(dòng)范圍為系統(tǒng)的測(cè)量深度范圍，同樣記錄相應(yīng)位置的條紋圖，然后應(yīng)用隨機(jī) 相移算法解調(diào)當(dāng)前位置的相位，應(yīng)用典型的相移算法展開其相位，并應(yīng)用鏈表數(shù)據(jù)格式將 移動(dòng)的各深度與其對(duì)應(yīng)的相位存儲(chǔ)，即建立相位-高度查找表。
[0029] 所述根據(jù)置于測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，具體 為:在單次拍攝條件下攝取復(fù)色條紋圖，把所述攝取的復(fù)色條紋分離形成單色條紋圖，并進(jìn) 行顏色串?dāng)_校正，獲得用于解調(diào)物體表面形貌的相移彩色條紋圖。
[0030] 使用MatlaB軟件將復(fù)色條紋圖分解成單身?xiàng)l紋圖，顏色串?dāng)_校正的方法為:使用 如下色彩恢復(fù)模型
[0031]
(I )
[0032] 其中，fV(x，y)，i = R，G，B為顏色解禪、色彩平衡及反射率歸一化后的各顏色通道 條紋圖，Mref、Mbal、Mcdu分別表示各顏色光線相對(duì)反射率矩陣、色彩平衡矩陣及顏色禪合矩 陣，可W通過(guò)典型的標(biāo)定方法獲得，且有：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 具體地，假設(shè)Ak(x，y)為背景，Bk(x，y)為調(diào)制項(xiàng)，d)k(x，y)為相位，k=l，2為時(shí)域條 紋序號(hào)，則攝取的條紋圖光強(qiáng)分別可表述為：
[0037] Ik(x,y)=Ak(x,y)+Bk(x,y)cos[ <l)k(x,y)]
[0038] 根據(jù)上式，本發(fā)明的相位解調(diào)方法為：
[0039] 首先應(yīng)用二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒?BEMD)將條紋圖進(jìn)行分解，去掉條紋圖的高頻模 式分量和趨勢(shì)項(xiàng)，對(duì)條紋圖進(jìn)行重建得：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 式中尖方框表示內(nèi)積運(yùn)算，最后對(duì)上面校正后的條紋圖應(yīng)用二帖相移算法，便可 提取測(cè)量相位。
[0045] 因此如果應(yīng)用隨機(jī)法可得測(cè)量相位，對(duì)測(cè)量相位展開，然后根據(jù)相位-高度一一對(duì) 應(yīng)性，通過(guò)查找表把相位映射至測(cè)量空間。
[0046] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種動(dòng)態(tài)物體的=維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，具體通過(guò)W下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0047] 步驟一:將參考面置于測(cè)量空間，開啟光源，并使用攝像機(jī)記錄產(chǎn)生的彩色相移條 紋；
[004引步驟二:運(yùn)用精密位移臺(tái)W小單位(如0.0 Olmm)在整個(gè)測(cè)量高度范圍內(nèi)移動(dòng)參考 面，并記錄每次移動(dòng)后產(chǎn)生的條紋圖；
[0049] 步驟根據(jù)記錄的條紋圖計(jì)算每次移動(dòng)參考面后的參考面相位，并展開包裹相 位；
[0050] 步驟四：根據(jù)移動(dòng)的高度分布和對(duì)應(yīng)的相位建立相位-高度查找表；
[0051] 步驟五:將測(cè)量物體置于測(cè)量空間，根據(jù)物體高度變化同步信號(hào)，投射相移彩色條 紋圖，并記錄；
[0052] 步驟六:根據(jù)拍攝的條紋圖計(jì)算相位，并運(yùn)用去包裹方法對(duì)上面提取的測(cè)量相位 進(jìn)行相位展開；
[0053] 步驟屯:根據(jù)相位-高度一一對(duì)應(yīng)性，運(yùn)用查找表進(jìn)行=維重建，完成本次測(cè)量任 務(wù)，如需繼續(xù)測(cè)量，重復(fù)步驟四至步驟屯。
[0054] 實(shí)施例：
[0055] 本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用于如圖1所示的裝置，采用多線程并行計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理， 將單純的數(shù)值計(jì)算和對(duì)每個(gè)像素都進(jìn)行的相同運(yùn)算的操作，移交給與計(jì)算機(jī)圖像處理單元 (GPU)，利用GPU強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算和并行處理能力加快數(shù)據(jù)處理過(guò)程，最后WLabwidow操作 平臺(tái)，把光柵位置調(diào)制、光源控制、數(shù)據(jù)采集與處理等模塊集成起來(lái)，形成虛擬測(cè)量?jī)x器，實(shí) 現(xiàn)測(cè)量過(guò)程控制，使得整個(gè)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。
[0化6] 參見圖1，CCD的光軸垂直于光柵面，兩個(gè)光源等間距布置，CCD光學(xué)中屯、和光源中 屯、置于距離光柵平面L的距離，第一個(gè)光源與攝像機(jī)中屯、距離為d。具體步驟是：
[0057] -、將物體置于測(cè)量空間，開啟光源，使用攝像機(jī)記錄產(chǎn)生的復(fù)色條紋圖；
[0058] 二、在計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)色條紋進(jìn)行分離，進(jìn)行顏色串?dāng)_校正，形成單色條紋圖；
[0059] =、運(yùn)用條紋正則化的方法去除條紋背景和振幅，消除光源移動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響；
[0060] 四、運(yùn)用隨機(jī)相移法進(jìn)行相位提取。
[0061] 五、展開相位，根據(jù)相位高度--對(duì)應(yīng)性，通過(guò)查找表完成相位高度的映射。
[0062] W上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，該方法為:根據(jù)置于測(cè)量空間 的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，根據(jù)所述相移彩色條紋圖確定測(cè)量相 位，并且根據(jù)去包裹方法對(duì)所述測(cè)量相位進(jìn)行相位展開，最后根據(jù)相位-高度一一對(duì)應(yīng)性以 及相位-高度查找表進(jìn)行三維重建。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于:所述相位-高度查找表的建立方法為:通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于測(cè)量空間的參考面進(jìn)行照射，并且采集在 整個(gè)測(cè)量高度范圍內(nèi)移動(dòng)的參考面的條紋圖；根據(jù)所述條紋圖確定每次移動(dòng)參考面后的參 考面相位，并展開包裹相位;根據(jù)參考面移動(dòng)的高度分布和對(duì)應(yīng)的相位建立相位-高度查找 表。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，所述相位-高度查找表的建立方法所述相位-高度查找表的建立方法，具體為:首先加工一塊平面板， 與理想平面最大誤差不超過(guò)20微米，作為標(biāo)定板，將所述標(biāo)定板置于測(cè)量空間的參考面位 置;通過(guò)紅、藍(lán)光源對(duì)置于測(cè)量空間的參考面進(jìn)行照射，投射正弦條紋圖，并使用攝像機(jī)記 錄該正弦條紋圖；然后應(yīng)用精密位移臺(tái)帶動(dòng)標(biāo)定板在測(cè)量空間沿z軸以等步長(zhǎng)小位移的方 法移動(dòng)一系列位置，移動(dòng)范圍為系統(tǒng)的測(cè)量深度范圍，同樣記錄相應(yīng)位置的條紋圖，然后應(yīng) 用隨機(jī)相移算法解調(diào)當(dāng)前位置的相位，應(yīng)用典型的相移算法展開其相位，并應(yīng)用鏈表數(shù)據(jù) 格式將移動(dòng)的各深度與其對(duì)應(yīng)的相位存儲(chǔ)，即建立相位-高度查找表。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，所述根 據(jù)置于測(cè)量空間的測(cè)量物體高度變化同步信號(hào)投射相移彩色條紋圖，具體為:在單次拍攝 條件下攝取復(fù)色條紋圖，把所述攝取的復(fù)色條紋分離形成單色條紋圖，并進(jìn)行顏色串?dāng)_校 正，獲得用于解調(diào)物體表面形貌的相移彩色條紋圖。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的動(dòng)態(tài)物體的三維輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于，把所述攝取 的復(fù)色條紋分離形成單色條紋圖，并進(jìn)行顏色串?dāng)_校正，具體為:使用如下色彩恢復(fù)模型(1 ) 其中，f' i (X，y)，i = R，G，B為顏色解耦、色彩平衡及反射率歸一化后的各顏色通道條紋 圖，Mref、Mbal、M_分別表不各顏色光線相對(duì)反射率矩陣、色彩平衡矩陣及顏色親合矩陣，通 過(guò)典型的標(biāo)定方法獲得，且有：
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK105953746SQ201610321968
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】杜虎兵, 王建華, 高紅紅, 顏菁菁
【申請(qǐng)人】西安工業(yè)大學(xué)