一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法。該方法利用計(jì)算機(jī)得到多幅相移余弦條紋圖像與輔助圖像，利用投影儀分別向參考平面、待測(cè)物和不同高度的平面投影這些條紋圖像，相機(jī)同步拍攝參考平面、待測(cè)物和不同高度的平面上的變形條紋圖像與輔助圖像，由計(jì)算機(jī)得到相移條紋的截?cái)嘞辔徊⑦M(jìn)行相位展開(kāi)，最后得到物體三維形貌數(shù)據(jù)。該方法利用連續(xù)絕對(duì)相位直接求取物體高度，無(wú)需求取相位差，提高測(cè)量效率的同時(shí)減小求取相位差時(shí)引入的誤差。該方法采用非完全約束系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的安裝無(wú)嚴(yán)格約束要求，解除了相機(jī)光心和投影儀光心連線平行于參考平面的約束，解除了相機(jī)光軸和投影儀光軸在參考平面上相交于一點(diǎn)的約束。
【專利說(shuō)明】
一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及三維光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋 的三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量法由于其非接觸性測(cè)量、速度快、精度高等優(yōu) 點(diǎn)，在逆向工程、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中四步相移面結(jié)構(gòu)光測(cè)量法，由于 一次測(cè)量可以獲得更多的數(shù)據(jù)而被廣泛研究，在傳統(tǒng)的面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)中，通常采用對(duì) 相機(jī)和投影儀的安裝位置有嚴(yán)格約束的系統(tǒng)模型，采用垂直拍攝、傾斜投影的測(cè)量形式。
[0003] 目前，常用的測(cè)量系統(tǒng)要求投影儀光心與相機(jī)光心的連線平行于參考平面，相機(jī) 光軸與投影儀光軸在參考平面上交于一點(diǎn)，但是相機(jī)和投影儀的光心與光軸為虛擬存在的 物體，所以要想嚴(yán)格保證光心和光軸的位置約束關(guān)系非常困難，這使得測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精 度很難保證，另外由于投影儀傾斜投影，使得投影的均勻條紋在參考平面上會(huì)發(fā)生變形，變 成非均勻條紋，由于條紋的變形，會(huì)給測(cè)量結(jié)果引入非線性誤差，為減小這種誤差需投影非 均勻條紋，以抵消條紋在參考平面上的變形，易丹(戴士杰，易丹，李偉超，等.分段非均勻條 紋生成方法及其在雙頻解相位中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2015,44(9):2849-2853.)對(duì) 非均勻條紋的生成方面做了深入的研究，通過(guò)分析投影均勻條紋時(shí)條紋在參考平面上的變 形量，得到一種分段非均勻條紋生成方法。但是，易丹等人使用雙頻相位展開(kāi)法求取連續(xù)相 位，雙頻相位展開(kāi)方法需要投影八幅條紋圖像，使測(cè)量時(shí)間變長(zhǎng)，另外雙頻相位展開(kāi)法對(duì)投 影條紋的頻率有限制，要求條紋頻率不能太大，這使得對(duì)表面具有微小變化的待測(cè)物測(cè)量 變得非常困難。在其它解相位方法的研究中，有許多學(xué)者做了大量的研究工作，林海新(林 海新，吳慶陽(yáng)，黃錦輝，等.應(yīng)用于結(jié)構(gòu)光投影三維測(cè)量的二值時(shí)空編碼方法[J].中國(guó)激光， 2013(11) :198-202.)對(duì)均勻條紋的截?cái)嘞辔环纸缇€進(jìn)行二進(jìn)制編碼，解碼得到各條紋的級(jí) 次，進(jìn)而得到條紋的絕對(duì)相位。由于二進(jìn)制編碼黑白條紋對(duì)各種噪聲具有很強(qiáng)的抗干擾性， 所以獲得解包裹相位精度較高，另外與其他二進(jìn)制編碼解相位方法相比，該方法只需要三 幅輔助條紋圖像即可達(dá)到2 6種編碼組合，在保證測(cè)量精度的情況下，縮短了測(cè)量時(shí)間，但是 二值編碼方法在解碼時(shí)普遍存在輔助條紋二值化閾值選取準(zhǔn)確度低的問(wèn)題。另外非均勻條 紋的截?cái)嘞辔环纸缇€的分布沒(méi)有規(guī)律，使得針對(duì)非均勻條紋分界線的二值編碼變得非常困 難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種在非完全約束系統(tǒng) 中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法。該方法利用計(jì)算機(jī)得到多幅相移余弦條紋圖像與輔助 圖像，利用投影儀分別向參考平面、待測(cè)物和不同高度的平面投影這些條紋圖像，相機(jī)同步 拍攝參考平面、待測(cè)物和不同高度的平面上的變形條紋圖像與輔助圖像，由計(jì)算機(jī)得到相 移條紋的截?cái)嘞辔徊⑦M(jìn)行相位展開(kāi)，最后得到物體三維形貌數(shù)據(jù)。
[0005] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，提供一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均 勻條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟：
[0006] 1)搭建三維測(cè)量系統(tǒng):使相機(jī)的光軸與參考平面垂直，投影儀的光軸傾斜投影，投 影儀的光心在參考平面的投影與CCD相機(jī)的光心在參考平面上的投影位于同一條水平線 上；
[0007] 2)確定連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的關(guān)系表達(dá)式:利用多項(xiàng)式擬合法直接建立連 續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式，根據(jù)待測(cè)物的表面的曲率變化情況確定連續(xù)絕對(duì)相位 與待測(cè)物高度的表達(dá)式的次數(shù)，曲率變化越大，表達(dá)式次數(shù)越大；曲率變化越小，表達(dá)式次 數(shù)越?。?br>[0008] 3)標(biāo)定三維測(cè)量系統(tǒng):確定投影儀的光心與投影儀的光心在參考平面上的投影之 間的距離L，投影儀的光軸與參考平面的交點(diǎn)與投影儀的光心在參考平面上的投影之間的 距離d;
[0009] 4)生成投影圖像:計(jì)算機(jī)生成四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖 像；
[0010] 5)投影圖像與采集圖像:投影儀分別向參考平面、待測(cè)物表面以及X組已知高度的 平面投影計(jì)算機(jī)生成的四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像，X的值大于等 于表達(dá)式中最高次冪的值再加1后得到的數(shù)值；同時(shí)相機(jī)同步拍攝參考平面、X組已知高度 的平面和待測(cè)物表面的投影圖像；
[0011] 6)確定表達(dá)式中的待標(biāo)定參數(shù)和連續(xù)絕對(duì)相位的具體取值:將相機(jī)拍攝到的四幅 非均勻余弦條紋投影圖像利用截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法得到其截?cái)嘞辔唬瑫r(shí)獲得 條紋的連續(xù)絕對(duì)相位值;利用X組高度與連續(xù)絕對(duì)相位映射矩陣及最小二乘法確定連續(xù)絕 對(duì)相位與待測(cè)物高度關(guān)系表達(dá)式中待標(biāo)定參數(shù)的具體取值；
[0012] 7)獲得待測(cè)物的高度:將待測(cè)物的連續(xù)絕對(duì)相位值代入已知待標(biāo)定參數(shù)的具體取 值的連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式中，得到待測(cè)物的高度。
[0013] 所述截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法，包括以下步驟：
[0014] 1)根據(jù)測(cè)量待測(cè)物的大小，確定投影圖像的分辨率與投影條紋的頻率f，投影圖像 分辨率的大小為MXN，M為投影圖像的橫向分辨率，N為投影圖像的縱向分辨率；
[0015] 2)在計(jì)算機(jī)中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋：
[0017]式（1)是非均勻余弦相移條紋初始相位與投影圖像像素的關(guān)系，式中m為余弦條紋 圖像某點(diǎn)的橫向像素坐標(biāo)，η為余弦條紋圖像同一點(diǎn)的縱向分辨率，式（1)所表達(dá)的初始相 位，分別為η等于1、2、3......Ν時(shí)相位的表達(dá)式，η每等于一個(gè)整數(shù)時(shí)，m均會(huì)從1變化 到N;
[0018]根據(jù)下述式(2) (2)
[0020] 確定標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋灰度值，各相移條紋之間的相移量為
(m，n)為預(yù)先設(shè)定的值，Μπι,η)表示相移條紋圖像上像素坐標(biāo)為(m，n)處的灰度值，結(jié)合式 (1)和式(2)得到四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻相移條紋表達(dá)式，并在計(jì)算機(jī)中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦 相移條紋；
[0021] 3)非均勻余弦相移條紋截?cái)嘞辔环纸缇€二值編碼:根據(jù)上述生成的四幅標(biāo)準(zhǔn)非均 勻余弦相移條紋結(jié)合式(3)
[0022] Φ (m,n)=arctan[(l3-Ii)/(I0-I2)] (3)
[0023] 得到標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞辔?，式中?(m，n)為像素坐標(biāo)為(m，n)處的 截?cái)嘞辔恢?，根?jù)截?cái)嘞辔环纸缇€上相鄰像素坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值之差大于I確定截?cái)嘞?位分界線上的點(diǎn)，連接位于同一列像素不同行像素上的分界點(diǎn)，得到截?cái)嘞辔环纸缇€，對(duì)截 斷相位的分界線進(jìn)行二值編碼；
[0024] 4)非均勻條紋截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解碼:將相機(jī)拍攝到的三幅輔助二值編碼圖像 進(jìn)行二值化處理，結(jié)合變形條紋截?cái)嘞辔环纸缇€，按時(shí)間順序分別提取截?cái)嘞辔环纸缇€左 側(cè)和右側(cè)三幅輔助條紋的編碼值，按空間順序組合分界線左右兩側(cè)的編碼值，所得六位二 進(jìn)制數(shù)值組合即為分界線編碼值，將得到的編碼組合與碼值分界線絕對(duì)級(jí)次對(duì)應(yīng)表進(jìn)行比 對(duì)，得到分界線絕對(duì)級(jí)次；
[0025] 5)解相位:將得到的分界線絕對(duì)級(jí)次k(m，n)與標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞?位Φ(πι，η)代入式(4)
[0026] Φ (m，n) = Φ (m，n)+2jrk(m，n) (4)
[0027] 即得到連續(xù)絕對(duì)相位值。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：
[0029] 1、該方法利用多項(xiàng)式擬合法直接擬合待測(cè)物高度與連續(xù)絕對(duì)相位的關(guān)系表達(dá)式， 可以降低系統(tǒng)的安裝難度，有效抑制系統(tǒng)安裝誤差的擴(kuò)散，降低投影均勻條紋引入的非線 性變形誤差。利用連續(xù)絕對(duì)相位直接求取物體高度，無(wú)需求取相位差，提高測(cè)量效率的同時(shí) 減小求取相位差時(shí)引入的誤差。
[0030] 2、該方法采用非完全約束系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的安裝無(wú)嚴(yán)格約束要求，解除了相機(jī) 光心和投影儀光心連線平行于參考平面的約束，解除了相機(jī)光軸和投影儀光軸在參考平面 上相交于一點(diǎn)的約束。
[0031] 3、利用截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法解相位，解除了對(duì)投影條紋頻率的限制， 提高相位展開(kāi)精度，只需四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像就可以獲得相 移非均勻條紋的連續(xù)絕對(duì)相位值，縮短了相位展開(kāi)所需時(shí)間，提高了測(cè)量效率。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是本發(fā)明在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法的工作原理示 意圖；
[0033]圖2是本發(fā)明在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法的測(cè)量拱橋形 物體實(shí)驗(yàn)效果圖，圖2(a)為恢復(fù)出的連續(xù)絕對(duì)相位圖，圖2(b)為恢復(fù)出的拱橋形物體三維 輪廓圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法的測(cè)量已知高 度平面結(jié)果，圖3(a)為平面測(cè)量結(jié)果的三維顯示圖，圖3(b)為平面測(cè)量結(jié)果誤差的第200行 數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0036] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法，基于如下硬 件設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖1)，硬件包括計(jì)算機(jī)1、DLP投影儀(簡(jiǎn)稱投影儀)2、CCD相機(jī)(簡(jiǎn)稱相機(jī))3、參 考平面4;所述投影儀2和相機(jī)4分別通過(guò)導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)1控制連接;所述計(jì)算機(jī)1中包含與投 影儀2配套的軟件、與相機(jī)4配套的圖像采集軟件、圖像處理軟件等。這些軟件為公知技術(shù)， 可以商購(gòu)獲得。
[0037] 1)搭建三維測(cè)量系統(tǒng):使相機(jī)3的光軸31與參考平面4垂直，投影儀2的光軸21傾斜 投影，投影儀2的光心Op在參考平面4的投影0〃P與CCD相機(jī)的光心0C在參考平面4上的投影 位于同一條水平線上；
[0038] 2)確定連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的關(guān)系表達(dá)式:利用多項(xiàng)式擬合法直接建立連 續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式(簡(jiǎn)稱表達(dá)式），根據(jù)待測(cè)物的表面的曲率變化情況確定 連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式的次數(shù)，曲率變化越大，表達(dá)式次數(shù)越大；曲率變化越 小，表達(dá)式次數(shù)越??；
[0039] 3)標(biāo)定三維測(cè)量系統(tǒng):確定投影儀2的光心Op與投影儀2的光心Op在參考平面4上的 投影〇〃p之間的距離L，投影儀2的光軸21與參考平面4的交點(diǎn)0%與投影儀2的光心Op在參考 平面4上的投影0〃P之間的距離d;
[0040] 4)生成投影圖像:計(jì)算機(jī)1生成四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖 像；
[0041] 5)投影圖像與采集圖像:投影儀2分別向參考平面4、待測(cè)物表面以及X組已知高度 的平面投影計(jì)算機(jī)1生成的四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像，X的值大于 等于表達(dá)式中最高次冪的值再加1后得到的數(shù)值；同時(shí)相機(jī)3同步拍攝參考平面4、x組已知 高度的平面和待測(cè)物表面的投影圖像；
[0042] 6)確定表達(dá)式中的待標(biāo)定參數(shù)和連續(xù)絕對(duì)相位的具體取值:將相機(jī)3拍攝到的四 幅非均勻余弦條紋投影圖像利用截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法得到其截?cái)嘞辔?，同時(shí)獲 得條紋的連續(xù)絕對(duì)相位值;利用X組高度與連續(xù)絕對(duì)相位映射矩陣及最小二乘法確定連續(xù) 絕對(duì)相位與待測(cè)物高度關(guān)系表達(dá)式中待標(biāo)定參數(shù)的具體取值；
[0043] 7)獲得待測(cè)物的高度:將待測(cè)物的連續(xù)絕對(duì)相位值代入已知待標(biāo)定參數(shù)的具體取 值的連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式中，得到待測(cè)物的高度。
[0044]其中步驟6)中所述截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法，是一種對(duì)標(biāo)準(zhǔn)非均勻條紋截 斷相位分界線進(jìn)行編碼，進(jìn)而獲得條紋的連續(xù)絕對(duì)相位值的方法，包括以下步驟：
[0045] 1)根據(jù)測(cè)量待測(cè)物的大小，確定投影圖像的分辨率與投影條紋的頻率f，投影圖像 分辨率的大小為MXN，M為投影圖像的橫向分辨率，N為投影圖像的縱向分辨率；
[0046] 2)在計(jì)算機(jī)1中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋：
[0048]式（1)是非均勻余弦相移條紋初始相位與投影圖像像素的關(guān)系，式中m為余弦條紋 圖像某點(diǎn)的橫向像素坐標(biāo)，η為余弦條紋圖像同一點(diǎn)的縱向分辨率，式（1)所表達(dá)的初始相 位，分別為η等于1、2、3......Ν時(shí)相位的表達(dá)式，η每等于一個(gè)整數(shù)時(shí)，m均會(huì)從1變化 到N;
[0049]根據(jù)下述式(2)
(2)
[0051] 確定標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋灰度值，各相移條紋之間的相移量為f式A(m，n)、B (m，n)為預(yù)先設(shè)定的值，Μπι,η)表示相移條紋圖像上像素坐標(biāo)為(m，n)處的灰度值，結(jié)合式 (1)和式(2)得到四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻相移條紋表達(dá)式，并在計(jì)算機(jī)中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦 相移條紋；
[0052] 3)非均勻余弦相移條紋截?cái)嘞辔环纸缇€二值編碼:根據(jù)上述生成的四幅標(biāo)準(zhǔn)非均 勻余弦相移條紋結(jié)合式(3)
[0053] Φ (m,n)=arctan[(l3-Ii)/(I0-I2)] (3)
[0054] 得到標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞辔?，式中?(m，n)為像素坐標(biāo)為(m，n)處的 截?cái)嘞辔恢?，根?jù)截?cái)嘞辔环纸缇€上相鄰像素坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值之差大于I確定截?cái)嘞?位分界線上的點(diǎn)，連接位于同一列像素不同行像素上的分界點(diǎn)，得到截?cái)嘞辔环纸缇€，對(duì)截 斷相位的分界線進(jìn)行二值編碼；
[0055] 4)非均勻條紋截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解碼:將相機(jī)3拍攝到的三幅輔助二值編碼圖 像進(jìn)行二值化處理，結(jié)合變形條紋截?cái)嘞辔环纸缇€，按時(shí)間順序分別提取截?cái)嘞辔环纸缇€ 左側(cè)和右側(cè)三幅輔助條紋的編碼值，按空間順序組合分界線左右兩側(cè)的編碼值，所得六位 二進(jìn)制數(shù)值組合即為分界線編碼值，將得到的編碼組合與碼值分界線絕對(duì)級(jí)次對(duì)應(yīng)表進(jìn)行 比對(duì)，得到分界線絕對(duì)級(jí)次；
[0056] 5)解相位:將得到的分界線絕對(duì)級(jí)次k(m，n)與標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞?位Φ(πι，η)代入式(4)
[0057] Φ (m，n) = Φ (m，n)+2jrk(m，n) (4)
[0058] 即得到連續(xù)絕對(duì)相位值。
[0059]為了說(shuō)明本發(fā)明測(cè)量方法的效果，采用本方法向拱橋形物體投影四幅非均勻余弦 條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像，相機(jī)同步拍攝拱橋形物體表面的四幅非均勻余弦條紋 圖像及三幅輔助二值編碼圖像，投影圖像的分辨率為600 X 600,條紋周期為15pixel，相機(jī) 拍攝圖像的分辨率為480X640,按照上述方法求取變形條紋的連續(xù)絕對(duì)相位，所得連續(xù)絕 對(duì)相位如圖2(a)所示，由圖可見(jiàn)所述測(cè)量方法求得的絕對(duì)相位過(guò)度光滑，無(wú)拉線現(xiàn)象產(chǎn)生； 圖2(b)為所測(cè)拱橋形物體連續(xù)絕對(duì)相位的三維圖，由圖可見(jiàn)所求連續(xù)絕對(duì)相位可反映待測(cè) 物的輪廓信息。
[0060]為驗(yàn)證本發(fā)明所述測(cè)量方法的測(cè)量精度，向高度為12mm的平面投影四幅非均勻余 弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像，設(shè)參考平面初始位置處距離為〇，移動(dòng)參考平面至距 離5mm、10mm位置，在各位置處，投影儀均向參考平面投影四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅 輔助二值編碼圖像;相機(jī)同步拍攝參考平面在不同位置時(shí)，參考平面上的變形圖像，利用上 述解相位方法解的各不同位置處參考平面上變形條紋圖的連續(xù)絕對(duì)相位;采用二次多項(xiàng)式 擬合平面高度與連續(xù)絕對(duì)相位之間的關(guān)系，利用位置為0mm、5mm、10mm處參考平面上的連續(xù) 絕對(duì)相位值求取表達(dá)式中的待標(biāo)定參數(shù)，將位置12mm處參考平面上的連續(xù)絕對(duì)相位及求的 待標(biāo)定參數(shù)代入表達(dá)式中，求得平面高度，測(cè)量結(jié)果如圖3(a)所示，由圖可見(jiàn)測(cè)非線性誤差 ??；圖3(b)為測(cè)量誤差的第200行數(shù)據(jù)，由該行誤差數(shù)據(jù)可見(jiàn)測(cè)量誤差大部分介于±0.02mm 之間，求得測(cè)量結(jié)果的平均誤差為〇.〇〇2mm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.0291mm。綜上所述本發(fā)明提出 的測(cè)量方法可快速、準(zhǔn)確地求取物體高度信息。
[0061 ]本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于包括以下步 驟： 1) 搭建三維測(cè)量系統(tǒng):使相機(jī)的光軸與參考平面垂直，投影儀的光軸傾斜投影，投影儀 的光心在參考平面的投影與CCD相機(jī)的光心在參考平面上的投影位于同一條水平線上； 2) 確定連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的關(guān)系表達(dá)式:利用多項(xiàng)式擬合法直接建立連續(xù)絕 對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式，根據(jù)待測(cè)物的表面的曲率變化情況確定連續(xù)絕對(duì)相位與待 測(cè)物高度的表達(dá)式的次數(shù)，曲率變化越大，表達(dá)式次數(shù)越大；曲率變化越小，表達(dá)式次數(shù)越 小； 3) 標(biāo)定三維測(cè)量系統(tǒng):確定投影儀的光心與投影儀的光心在參考平面上的投影之間的 距離L，投影儀的光軸與參考平面的交點(diǎn)與投影儀的光心在參考平面上的投影之間的距離 d； 4) 生成投影圖像:計(jì)算機(jī)生成四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像； 5) 投影圖像與采集圖像:投影儀分別向參考平面、待測(cè)物表面以及X組已知高度的平面 投影計(jì)算機(jī)生成的四幅非均勻余弦條紋圖像及三幅輔助二值編碼圖像，X的值大于等于表 達(dá)式中最高次冪的值再加1后得到的數(shù)值；同時(shí)相機(jī)同步拍攝參考平面、X組已知高度的平 面和待測(cè)物表面的投影圖像； 6) 確定表達(dá)式中的待標(biāo)定參數(shù)和連續(xù)絕對(duì)相位的具體取值:將相機(jī)拍攝到的四幅非均 勻余弦條紋投影圖像利用截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法得到其截?cái)嘞辔?，同時(shí)獲得條紋 的連續(xù)絕對(duì)相位值;利用X組高度與連續(xù)絕對(duì)相位映射矩陣及最小二乘法確定連續(xù)絕對(duì)相 位與待測(cè)物高度關(guān)系表達(dá)式中待標(biāo)定參數(shù)的具體取值； 7) 獲得待測(cè)物的高度:將待測(cè)物的連續(xù)絕對(duì)相位值代入已知待標(biāo)定參數(shù)的具體取值的 連續(xù)絕對(duì)相位與待測(cè)物高度的表達(dá)式中，得到待測(cè)物的高度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在非完全約束系統(tǒng)中投影非均勻條紋的三維測(cè)量方法，其特 征在于所述截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解相位方法，包括以下步驟： 1) 根據(jù)測(cè)量待測(cè)物的大小，確定投影圖像的分辨率與投影條紋的頻率f，投影圖像分辨 率的大小為MXN，M為投影圖像的橫向分辨率，N為投影圖像的縱向分辨率； 2) 在計(jì)算機(jī)中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋：式（1)是非均勻余弦相移條紋初始相位與投影圖像像素的關(guān)系，式中m為余弦條紋圖像 某點(diǎn)的橫向像素坐標(biāo)，η為余弦條紋圖像同一點(diǎn)的縱向分辨率，式（1)所表達(dá)的初始相位，分 別為η等于1、2、3......N時(shí)相位的表達(dá)式，η每等于一個(gè)整數(shù)時(shí)，m均會(huì)從1變化到Ν; 根據(jù)下述式(2)(2) 確定標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋灰度值，各相移條紋之間的相移量為f，式A(m，n)、B(m， η)為預(yù)先設(shè)定的值，Μπι,η)表示相移條紋圖像上像素坐標(biāo)為(m，n)處的灰度值，結(jié)合式（I) 和式(2)得到四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻相移條紋表達(dá)式，并在計(jì)算機(jī)中生成四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相 移條紋； 3) 非均勻余弦相移條紋截?cái)嘞辔环纸缇€二值編碼:根據(jù)上述生成的四幅標(biāo)準(zhǔn)非均勻余 弦相移條紋結(jié)合式(3) Φ (m，n)=arctan[(l3-Ii)/(I〇-l2)] (3) 得到標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞辔?，式中?(m，n)為像素坐標(biāo)為(m，n)處的截?cái)?相位值，根據(jù)截?cái)嘞辔环纸缇€上相鄰像素坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值之差大于I確定截?cái)嘞辔环?界線上的點(diǎn)，連接位于同一列像素不同行像素上的分界點(diǎn)，得到截?cái)嘞辔环纸缇€，對(duì)截?cái)嘞?位的分界線進(jìn)行二值編碼； 4) 非均勻條紋截?cái)嘞辔环纸缇€編碼解碼:將相機(jī)拍攝到的三幅輔助二值編碼圖像進(jìn)行 二值化處理，結(jié)合變形條紋截?cái)嘞辔环纸缇€，按時(shí)間順序分別提取截?cái)嘞辔环纸缇€左側(cè)和 右側(cè)三幅輔助條紋的編碼值，按空間順序組合分界線左右兩側(cè)的編碼值，所得六位二進(jìn)制 數(shù)值組合即為分界線編碼值，將得到的編碼組合與碼值分界線絕對(duì)級(jí)次對(duì)應(yīng)表進(jìn)行比對(duì)， 得到分界線絕對(duì)級(jí)次； 5) 解相位:將得到的分界線絕對(duì)級(jí)次k(m，n)與標(biāo)準(zhǔn)非均勻余弦相移條紋的截?cái)嘞辔沪?(m，n)代入式(4)即得到連續(xù)絕對(duì)相位值。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK106017339SQ201610408982
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】戴士杰, 冀紅彬, 張慧博, 宋濤, 呂海東
【申請(qǐng)人】河北工業(yè)大學(xué)