一種光學三維形貌測量方法
【專利摘要】一種光學三維形貌測量方法，先按照實際測量要求，布置好由投影系統、相機組成的測量系統；然后根據測量需要設計條紋圖并由投影系統投影到被測物體表面，被物體反射的條紋圖由相機采樣；再從采樣條紋圖解調出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值；然后由遠心鏡頭的放大率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被測物體X、Y軸坐標；最后標定得到投影系統的相關參數，結合條紋相位，根據三角關系求得被測物體Z軸的坐標；本發明標定過程簡單，既提高了三維坐標的求解速度又能達到更高的測量精度；一次標定即可保證之后所有測量的使用，效率很高。
【專利說明】
-種光學H維形貌測量方法
技術領域
[0001] 本發明屬于=維測量技術領域，具體設及一種光學=維形貌測量方法。
【背景技術】
[0002] S維測量在快速成型、質量檢測中有著廣泛的需求。同時，它在逆向工程、醫療等 領域也有著廣泛應用。傳統的=維測量方法主要是接觸式測量，如=坐標測量機。隨著光學 技術的進步，光學=維測量技術得到了長足的發展，被越來越廣泛地應用到=維測量中。典 型的光學=維測量方法有點激光掃描測量、線激光掃描測量、結構光投影測量及干設測量 等。其中，基于正弦條紋投影的結構光投影=維測量方法，由于操作便捷、測量精度較高、測 量速度快、適應性好等優點，是一種非常優越的=維測量手段。
[0003] 正弦條紋投影=維測量輪廓術需要投影正弦條紋到被測物體表面，反射的條紋圖 像被相機采樣得到，求解采樣條紋相位后，結合標定得到的測量系統參數，即可由相位恢復 被測物體的=維形貌。現有的正弦條紋投影=維測量輪廓術具有W下特點：投影的正弦條 紋圖的相位在整個圖像平面內沿某一方向呈線性變化;在由單相機-單投影儀構成的測量 系統中，相位到被測物體=維形貌的轉化總會用到由投影光線與相機采樣光線之間構成的 =角關系，很多情況下需要一個參考面，=維求解過程復雜。

【發明內容】

[0004] 為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種光學=維形貌測量方 法，使得=維形貌求解過程簡化，X、Y坐標的求解速度及精度得到提高，標定過程簡單，最終 得到更高的測量精度，而且能夠在一次系統標定后即可保證之后所有測量的使用，提高測 量效率。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：
[0006] -種光學=維形貌測量方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統、相機組成的測量系統；
[000引步驟2:根據測量需要設計投影條紋圖并由投影系統投影到被測物體表面；
[0009] 步驟3:被物體反射的條紋圖由相機采樣；
[0010] 步驟4:從采樣條紋圖解調出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值；
[0011] 步驟5:由遠屯、鏡頭的放大倍率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到 被測物體X、Y軸坐標；
[0012] 步驟6:標定得到投影系統的相關參數，結合條紋相位，根據=角關系得到被測物 體Z軸的坐標。
[0013] 所述的步驟1中的投影系統是數字投影儀，或是點光源與光柵、光掩膜版組成的投 影系統，其投影圖像在量程內要能夠覆蓋被測對象但不能過多地超過被測對象，而且投影 光軸與相機光軸需要保持平行。
[0014] 所述的步驟1中的相機配有遠屯、鏡頭，遠屯、鏡頭的參數根據實際測量需求選用。
[0015] 所述的步驟2中的投影條紋圖，其灰度值分布需要滿足：
[0016] f(xp,yp)=a+b cos(23t ? r(Xp,yp)/R) (I)
[0017]其中，（xp，yp)表示投影條紋圖像素坐標，a表示條紋背景項，b表示條紋幅值，R為W 像素距離表示的條紋周期，且
[001引
鮮
[0019]其中，（Xp日，yp日讀示投影陣列與投影系統光軸的交點，初步認為該點是投影陣列 的幾何中屯、。
[0020] 所述的步驟4中的相位解調采用經典相位解調方法，相位解包裹采用經典相位解 包裹方法。
[0021] 所沐的巧驢5中被測物體X、Y軸坐標采用如下公式求得：
[0022]
(3)
[0023] 其中：（Xe,yc)為采樣圖像坐標，0為遠屯、鏡頭放大倍率，S為相機像元尺寸。
[0024] 所沐的擊驢fi中獻娜I物化Z業標的求解公式為：
[0025]
(4)
[0026] 其中，P為投影系統參數，? (Xe,ye)為采樣圖像點（Xe,ye)的相位值，d(xc，yc)為采 樣圖像上點(xc，y。)與零相位點間的空間距離，通過如下公式計算：
[0027；
(5)
[0028] 其中，（Xc〇，yc〇)為采樣條紋閣零相位點的像素坐標。
[0029] 與傳統的正弦條紋投影=維測量輪廓術相比，本發明具有W下有益效果:不需要 對相機進行標定;被測物體X、Y坐標求解較傳統方法有非常大的簡化，既極大提高了 X、Y坐 標的求解速度也能保證求解精度;被測物體Z坐標的求解中設及的標定參量少，標定過程簡 單，測量誤差來源少，能夠達到更高的測量精度；當投影儀的焦距確定后，一次標定即可保 證之后所有測量的使用，效率極高。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明方法采用的一種測量系統結構示意圖。
[0031] 圖2為本發明方法原理圖。
[0032] 圖3為本發明中所使用的條紋圖。
[0033] 圖4為模擬圖3條紋圖投影到待測球形表面采樣得到的條紋圖。
[0034] 圖5為圖4條紋圖的解調相位圖。
[0035] 圖6為圖4條紋圖的解包裹相位圖。
[0036] 圖7為采用本發明方法恢復得到的被測物體=維形貌。
[0037] 圖8為圖7處理后的S維形貌圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
[0039] -種光學=維形貌測量方法，包括W下步驟：
[0040] 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統、配有遠屯、鏡頭的相機組成的測量 系統，參照圖1，測量系統中投影系統光軸與相機光軸通過光路設計等效共線，在實際使用 中，投影系統光軸與相機光軸不必共線，測量原理如圖2所示，其中，ON為投影系統光軸，點B 為投影系統光軸與投影像元陣列間的交點，從光源0發射的光經由A處的投影像元投影照射 到被測物體上的點M，MN為垂直于投影光軸的線段，點N為一虛擬點，在實際中不必求得，圖2 中還標示了 S維重建中所使用的Z坐標，設M點在采樣圖像上的坐標值為(xc，y。），線段MN的 長度為d(XE，y。），在圖示的定義下，點M的Z坐標為
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 呈：
[0047]
[0048] 步驟2:根據測量需要設計投影條紋圖并由投影系統投影到被測物體表面，所用到 的投影條紋圖參照圖3,與傳統的正弦條紋圖不同的是，它的相位并非在整個圖像平面內沿 特定方向線性變化，而是W圖像中屯、為中屯、向外線性福射，因而看上去像是一組明暗相間 的圓環，圖示條紋的周期為10像素，利用投影系統將該條紋投影到被測物體表面；
[0049] 步驟3:被物體反射的條紋圖由配有遠屯、鏡頭的相機采樣，參照圖4,圖4為模擬采 樣得到的條紋圖；
[0050] 步驟4:由采樣條紋相位圖利用四步相移法解調得到圖4所示條紋圖的包裹相位， 如圖5所示，采用多頻解包裹技術對圖5所示的包裹相位解包裹，解包裹相位如圖6所示，設 其值為?(XE，y。）；
[0051] 步驟5:由遠屯、鏡頭的放大率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被 測物體X、Y軸坐標，設遠屯、鏡頭放大倍率為0 = 0.1，相機像元尺寸S = 0.00 5mm，那么采樣點M 對應的橫向坐標可W很容易地求得：
[0化2]
[0化3] 那么有
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[005引最終求解得到的模擬被測物體=維形貌如圖7所示。為了更清楚地看到被測物體 的=維形貌，用模擬被測物體的最大高度1990減去圖7中的數據，此時繪制得到的被測物體 =維形貌為圖8所示，可見，本發明能夠非常便捷地實現對被測對象=維輪廓的測量。
[0059] W上所述僅為本發明的一個實施例，并不用W限制本發明，凡在本發明基礎上所 做的任何修改、等同替換及拓展等，均應包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種光學三維形貌測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:按照實際測量要求，布置好由投影系統、相機組成的測量系統； 步驟2:根據測量需要設計投影條紋圖并由投影系統投影到被測物體表面； 步驟3:被物體反射的條紋圖由相機采樣； 步驟4:從采樣條紋圖解調出包裹相位，解包裹后得到條紋圖的真實相位值； 步驟5:由遠心鏡頭的放大倍率、相機像元大小及采樣條紋圖的圖像坐標求解得到被測 物體χ、γ軸坐標； 步驟6:標定得到投影系統的相關參數，結合條紋相位，根據三角關系求得被測物體Ζ軸 的坐標。2. 根據權利要求1所述的一種光學三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟1中的 投影系統是數字投影儀，或是點光源與光柵、光掩膜版組成的投影系統，其投影圖像在量程 內要能夠覆蓋被測對象但不能過多地超過被測對象，而且投影光軸與相機光軸需要保持平 行。3. 根據權利要求1所述的一種光學三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟1中的 相機配有遠心鏡頭，遠心鏡頭的參數根據實際測量需求選用。4. 根據權利要求1所述的一種光學三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟2中的 投影條紋圖，其灰度值分布需要滿足： f(xp,yp)=a+bcos(23i · r(xP,yP)/R) (1) 其中，（xP，yP)表示投影條紋圖像素坐標，a表示條紋背景項，b表示條紋幅值，R為以像素 距離表示的條紋周期，且(2) 其中，（XpQ，ypQ)表示投影陣列與投影系統光軸的交點，初步認為該點是投影陣列的幾何 中心。5. 根據權利要求1所述的一種光學三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟5中被 測物體X、Y軸坐標采用如下公式求得：(3) 其中：（υ。)為采樣圖像坐標，s為相機像元尺寸，β為遠心鏡頭放大倍率。6. 根據權利要求1所述的一種光學三維形貌測量方法，其特征在于:所述的步驟6中被 測物體Ζ坐標的求解公式為(4) 其中，Ρ為投影系統參數，Φ(υ。)為采樣圖像點U，y。)的相位值，d(Xc；，y。)為采樣圖 像上點(X。，y。)與零相位點間的空間距離，通過如下公式計算： (5)
【文檔編號】G01B11/25GK105953749SQ201610451777
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】趙宏, 張春偉
【申請人】西安交通大學