一种双频相移三维投影测量仪的制作方法
专利名称:一种双频相移三维投影测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种光栅对，由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍。本实用新型还提供一种应用所述光栅对的双频相移三维投影测量仪。本实用新型提供的光栅对及双频相移三维投影测量仪能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。
【专利说明】
一种双频相移三维投影测量仪
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种周期满足特定双频条纹周期组 合的光栅对以及应用所述光栅对的双频相移三维投影测量仪。
【背景技术】
[0002] 目前，基于光栅投射的光学三维测量仪主要由投影系统、图像获取系统和信息处 理系统组成:投影系统由白光光源、聚光镜组、投影透镜、正弦光栅模板和相移器组成，用于 产生正弦光栅并将其投射在物体表面;图像获取系统主要由高分辨率CCD摄像机、摄像平台 和摄像镜头组成，获取物体表面的光栅变形图像后传给信息处理系统；信息处理系统主要 是计算机和相关的处理软件，用于物体三维重建和信息输出。
[0003] 双频相移三维投影测量仪采用的解包裹技术主要有双频外差法和查表法，双频外 差法对相位误差要求严格，算法中包含除法项扩大了误差，不能保持相移技术所获得的包 裹相位精度，在应用时误差容忍度小于查表法。查表法利用相位差与周期的关系制成"相位 差周期编号"映射表，通过查表直接求得该位置(像素)周期编号，加上包裹相位值后获 得真实相位。然而，在判定周期编号时，由映射表各值的分布间距形成容差，由于不规则分 布，通常容差总是太小，使得判定周期编号非常困难导致判定错误。只有在系统信噪比非常 高的情况下才能适用，实际使用受到很大的限制。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于，解决现有技术中查表法容差小、容易导致在确定条纹编 号时出现差错的技术问题。
[0005] 本实用新型的目的是采用以下技术方案来实现的：
[0006] 一种光栅对，由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足
，其中，Ti为低频条纹周期，T2s高频条纹周期 表示向下取g的 1 2 最大整数，^是心的整数倍，&为设定量程对低频周期1^的倍数。
[0007] -种双频相移三维投影测量仪，包括计算机，CCD相机，投影系统，以及被测物体平 台，所述投影系统包括一个光栅对，所述投影系统将所述光栅对分别先后投影在被测物体 上，所述CCD相机采集经所述被测物体调制后的条纹，并传输给所述计算机进行相位分析， 所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足
，其中，
h为低频条纹周期，^为高频条纹周期 表示向下取^的最大整数，^是心的整数 / 2 倍，&为设定量程对低频周期1/的倍数。
[0008] 相较于现有技术，本实用新型设计的光栅对以及应用该光栅对的双频相移三维投 影测量仪能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。
[0009] 上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技 术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征 和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪的光路示意图。
[0011] 图2是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪的结构示意图。
[0012] 图3是双频相移三维投影测量仪的测量方法流程图。
[0013] 图4是对由相位截断导致的重复出现的两个条纹分别进行编号的示意图。
[0014] 图5是利用MATLAB软件建立的查找表的示意图。
[0015]图6是三角测距法的示意图。
【具体实施方式】
[0016] 为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描 述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新 型的公开内容理解的更加透彻全面。
[0017] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领 域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为 了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语"及/或"包 括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0018] 请一并参阅图1，图1是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪20 的光路示意图。图2是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪20的结构示 意图。
[0019] 光栅对10由一个高条纹周期的正弦光栅101和一个低频条纹周期的正弦光栅102 组成，其条纹周期满足
2 ,其中，Ti为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，
I示向下取#的最大整数，^是&的整数倍
的余数，&为设定量程对低频 周期1^的倍数。
[0020] 当采用该光栅对10投影时，高频条纹具有较高的解包精度，但频率也不宜太高，否 则容易受到噪声干扰产生误差。在本实施例中，可以选取T 2 = 22作为最优精度条纹。为了抑 制噪声影响，A的取值一般不超过5,因此A设置为4,其中&为量程S对低频周期1^的倍数，（S = LCMm，TdSTi，T2的最小公倍数）义尽量取T2的约数中的中间数，用于使容差和量程同 时取得较大值。根据上面的数据以及公式可以得出：低频周期Ti = 99。这样可以制作完成一 个高、低频条纹周期分别为99和22的正弦光栅对。
[0021] 光栅对10满足特定周期关系，对其投影产生的条纹在进行三维测量时能够扩大系 统容差。
[0022] 双频相移三维投影测量仪20包括:计算机30(内置相关软件），CCD相机40,投影系 统50，以及被测物体平台60。
[0023]其中，计算机30用于负责被测物体的相位分析和三维重建，并控制相移器的移动。 CCD相机40用于采集信息。被测物体平台60用作投影条纹的平台。
[0024] 投影系统50至少包括：白光光源51，光栅对10,相移器52,以及聚光镜组53。
[0025]其中，白光光源51用于产生白光。光栅对10用于产生条纹，相移器52用于使光栅对 10产生四步相移，聚光镜组53用于扩散白光光源51发出的光。
[0026]本实施例提供的双频相移三维投影测量仪20对满足特定条纹周期关系的光栅对 进行投影，能够扩大容差，便于为条纹编号，在硬件信噪比低的条件下也能正常测量。
[0027]请参阅图3,图3是双频相移三维投影测量仪20的测量方法流程图。
[0028] 步骤1，通过相移器52和光栅对10产生两组四步相移投影条纹，并投影在被测物体 的表面。
[0029] 具体地，相移器52可以由计算机30通过D/A接口板自动控制输出电压幅度，电路设 计为闭环控制电路，采用步进电机产生位移，具有很高的电压稳定度和较小的相移误差。实 验前，使用相干相位检测标定方法来对相移器52进行标定，实验中当对相移驱动器电压输 出110v时，相移器52就产生90°的相移。
[0030] 步骤2,使用C⑶相机40拍摄采集到效果较佳的相移条纹照片。
[0031]步骤3,利用MATLAB软件分析条纹的相移信息，通过四步相移求解得到包裹相位 4> 1, 4>2〇
[0032] 步骤4,利用
寸两个包裹相位可进行归一化得到P1，^ 72,其 中伞（x，y)是包裹相位值。
[0033] 步骤5,对由相位截断导致的重复出现的两个条纹分别进行编号(如图4所示）。
[0034] 步骤6,利用MATLAB建立一个满足"两组包裹相位之间的固有的相位差对应着固有 的条纹周期编号组合"这一关系的条纹周期编号组合表(如图5所示）。
[0035]在前一步骤中，利用
[0036]
(1)
[0037] 对两个包裹相位可进行归一化得到P，-。对于正弦周期定义的摄像机坐标系有：
[0038]
(2-1) (2-2)
[0040] 其中lu(X，y)表示用低频条纹测得的像素位置，h2(x，y)表示用高频条纹测得的像 素位置表示低频条纹的周期，^表示高频条纹的周期;n(x，y)表示低频条纹周期编号，m (x，y)表示高频条纹周期编号;糾表示低频条纹的归一化相位值，奶表示高频条纹的归一化 相位值。
[0041] 由相机坐标的定义可知，相机坐标值是一个与条纹编号、包裹相位值以及条纹周 期有关的函数。
[0042] 对于解包场景中同一像素位置，相机坐标只与该点像素位置(x，y)有关，而与投射 条纹的周期编号和相位值无关，因此
[0043] hi(x，y)=h2(x，y) (3)
[0044] 联立(2-1) (2-2) (3)可得 r00451
(4)
[0046] 移项可得 r00471
(5)
[0048]定义归一化相位差分函数：
[0049]
(6)
[0050]定义高低条纹编号差分函数：
[0051] 5(n，m) =nTi_mT2(7)
[0052] 可见两个包裹相位之间的固有的相位差对应着固有的条纹周期编号组合S (n,m) 〇
[0053] 步骤7，计算相位差分函数：
[0054] 步骤8,查表得到对应的条纹编号(n，m)，然后利用编号恢复绝对相位。
[0055] 记最大量程hmax(x) = S满足S = CiTi，表示S为Ti的整数倍，i = l，2在此量程内，穷举 所有ni，mj的组合取值情况，建立ni，mj组合与aij对应的查找表，解包时通过式（6)求得 攻⑦，巧〇(=梅')，然后通过查表得到m，叫的值，求出相机坐标值，完成解包。
[0056] 解包完成后，可以通过常见的三角测距法还原物体的实际高度，请参阅图6,图6是 三角测距法的示意图。
[0057]
[0058] 其中A是为光栅截距，即相位变化一周期所对应的长度。
[0059] 上式是经典光栅投影的高度相位对应关系公式，在满足摄像机、投影仪和参考面 三者的对应关系的前提下，通过投影到参考平面X的光栅图像求解出相位值0 B。在测量时， 由于参考平面X放置被测物体200,光束会因物体表面调制使光栅图像发生变形，通过变形 的光栅图像可以求解出相位9a，最后将变形光栅和原始光栅相减，得出物体表面相位差0A-0 B带入上式就可以求出该物点的高度，完成从相位到物体高度的转化。
[0060] 综上，本实施例提供的双频相移三维投影测量仪20对满足特定条纹周期关系的光 栅对进行投影，能够扩大容差，便于为条纹编号，在硬件信噪比低的条件下也能正常测量。
[0061] 以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通 技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属 于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种光栅对，其特征在于：所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹 周期满5其中，h为低频条纹周期，T2S高频条纹周期表示向 下取#的最大整数，^是心的整数倍，&为设定量程对低频周期1^的倍数。2. -种双频相移三维投影测量仪，包括计算机，CCD相机，投影系统，以及被测物体平 台，所述投影系统包括一个光栅对，所述投影系统将所述光栅对分别先后投影在被测物体 上，所述CCD相机采集经所述被测物体调制后的条纹，并传输给所述计算机进行相位分析， 其特征在于：所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，h为低频条纹周期，T2S高频条纹周期表示向下取^的 最大整数，^是^的整数倍，C1为设定量程对低频周期1^的倍数。
【文档编号】G01B11/25GK205718873SQ201620346925
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】陈玉冰, 王妍, 陈泽雄, 陈观文, 刘胜德
【申请人】华南师范大学
【专利摘要】本实用新型提供一种光栅对，由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，T1为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，表示向下取的最大整数，T2是C1的整数倍。本实用新型还提供一种应用所述光栅对的双频相移三维投影测量仪。本实用新型提供的光栅对及双频相移三维投影测量仪能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。
【专利说明】
一种双频相移三维投影测量仪
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种周期满足特定双频条纹周期组 合的光栅对以及应用所述光栅对的双频相移三维投影测量仪。
【背景技术】
[0002] 目前，基于光栅投射的光学三维测量仪主要由投影系统、图像获取系统和信息处 理系统组成:投影系统由白光光源、聚光镜组、投影透镜、正弦光栅模板和相移器组成，用于 产生正弦光栅并将其投射在物体表面;图像获取系统主要由高分辨率CCD摄像机、摄像平台 和摄像镜头组成，获取物体表面的光栅变形图像后传给信息处理系统；信息处理系统主要 是计算机和相关的处理软件，用于物体三维重建和信息输出。
[0003] 双频相移三维投影测量仪采用的解包裹技术主要有双频外差法和查表法，双频外 差法对相位误差要求严格，算法中包含除法项扩大了误差，不能保持相移技术所获得的包 裹相位精度，在应用时误差容忍度小于查表法。查表法利用相位差与周期的关系制成"相位 差周期编号"映射表，通过查表直接求得该位置(像素)周期编号，加上包裹相位值后获 得真实相位。然而，在判定周期编号时，由映射表各值的分布间距形成容差，由于不规则分 布，通常容差总是太小，使得判定周期编号非常困难导致判定错误。只有在系统信噪比非常 高的情况下才能适用，实际使用受到很大的限制。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于，解决现有技术中查表法容差小、容易导致在确定条纹编 号时出现差错的技术问题。
[0005] 本实用新型的目的是采用以下技术方案来实现的：
[0006] 一种光栅对，由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足
，其中，Ti为低频条纹周期，T2s高频条纹周期 表示向下取g的 1 2 最大整数，^是心的整数倍，&为设定量程对低频周期1^的倍数。
[0007] -种双频相移三维投影测量仪，包括计算机，CCD相机，投影系统，以及被测物体平 台，所述投影系统包括一个光栅对，所述投影系统将所述光栅对分别先后投影在被测物体 上，所述CCD相机采集经所述被测物体调制后的条纹，并传输给所述计算机进行相位分析， 所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足
，其中，
h为低频条纹周期，^为高频条纹周期 表示向下取^的最大整数，^是心的整数 / 2 倍，&为设定量程对低频周期1/的倍数。
[0008] 相较于现有技术，本实用新型设计的光栅对以及应用该光栅对的双频相移三维投 影测量仪能够扩大容差，解决误判条纹编号的问题。
[0009] 上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技 术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征 和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪的光路示意图。
[0011] 图2是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪的结构示意图。
[0012] 图3是双频相移三维投影测量仪的测量方法流程图。
[0013] 图4是对由相位截断导致的重复出现的两个条纹分别进行编号的示意图。
[0014] 图5是利用MATLAB软件建立的查找表的示意图。
[0015]图6是三角测距法的示意图。
【具体实施方式】
[0016] 为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描 述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新 型的公开内容理解的更加透彻全面。
[0017] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领 域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为 了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语"及/或"包 括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0018] 请一并参阅图1，图1是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪20 的光路示意图。图2是本实用新型第一实施例提供的双频相移三维投影测量仪20的结构示 意图。
[0019] 光栅对10由一个高条纹周期的正弦光栅101和一个低频条纹周期的正弦光栅102 组成，其条纹周期满足
2 ,其中，Ti为低频条纹周期，T2为高频条纹周期，
I示向下取#的最大整数，^是&的整数倍
的余数，&为设定量程对低频 周期1^的倍数。
[0020] 当采用该光栅对10投影时，高频条纹具有较高的解包精度，但频率也不宜太高，否 则容易受到噪声干扰产生误差。在本实施例中，可以选取T 2 = 22作为最优精度条纹。为了抑 制噪声影响，A的取值一般不超过5,因此A设置为4,其中&为量程S对低频周期1^的倍数，（S = LCMm，TdSTi，T2的最小公倍数）义尽量取T2的约数中的中间数，用于使容差和量程同 时取得较大值。根据上面的数据以及公式可以得出：低频周期Ti = 99。这样可以制作完成一 个高、低频条纹周期分别为99和22的正弦光栅对。
[0021] 光栅对10满足特定周期关系，对其投影产生的条纹在进行三维测量时能够扩大系 统容差。
[0022] 双频相移三维投影测量仪20包括:计算机30(内置相关软件），CCD相机40,投影系 统50，以及被测物体平台60。
[0023]其中，计算机30用于负责被测物体的相位分析和三维重建，并控制相移器的移动。 CCD相机40用于采集信息。被测物体平台60用作投影条纹的平台。
[0024] 投影系统50至少包括：白光光源51，光栅对10,相移器52,以及聚光镜组53。
[0025]其中，白光光源51用于产生白光。光栅对10用于产生条纹，相移器52用于使光栅对 10产生四步相移，聚光镜组53用于扩散白光光源51发出的光。
[0026]本实施例提供的双频相移三维投影测量仪20对满足特定条纹周期关系的光栅对 进行投影，能够扩大容差，便于为条纹编号，在硬件信噪比低的条件下也能正常测量。
[0027]请参阅图3,图3是双频相移三维投影测量仪20的测量方法流程图。
[0028] 步骤1，通过相移器52和光栅对10产生两组四步相移投影条纹，并投影在被测物体 的表面。
[0029] 具体地，相移器52可以由计算机30通过D/A接口板自动控制输出电压幅度，电路设 计为闭环控制电路，采用步进电机产生位移，具有很高的电压稳定度和较小的相移误差。实 验前，使用相干相位检测标定方法来对相移器52进行标定，实验中当对相移驱动器电压输 出110v时，相移器52就产生90°的相移。
[0030] 步骤2,使用C⑶相机40拍摄采集到效果较佳的相移条纹照片。
[0031]步骤3,利用MATLAB软件分析条纹的相移信息，通过四步相移求解得到包裹相位 4> 1, 4>2〇
[0032] 步骤4,利用
寸两个包裹相位可进行归一化得到P1，^ 72,其 中伞（x，y)是包裹相位值。
[0033] 步骤5,对由相位截断导致的重复出现的两个条纹分别进行编号(如图4所示）。
[0034] 步骤6,利用MATLAB建立一个满足"两组包裹相位之间的固有的相位差对应着固有 的条纹周期编号组合"这一关系的条纹周期编号组合表(如图5所示）。
[0035]在前一步骤中，利用
[0036]
(1)
[0037] 对两个包裹相位可进行归一化得到P，-。对于正弦周期定义的摄像机坐标系有：
[0038]
(2-1) (2-2)
[0040] 其中lu(X，y)表示用低频条纹测得的像素位置，h2(x，y)表示用高频条纹测得的像 素位置表示低频条纹的周期，^表示高频条纹的周期;n(x，y)表示低频条纹周期编号，m (x，y)表示高频条纹周期编号;糾表示低频条纹的归一化相位值，奶表示高频条纹的归一化 相位值。
[0041] 由相机坐标的定义可知，相机坐标值是一个与条纹编号、包裹相位值以及条纹周 期有关的函数。
[0042] 对于解包场景中同一像素位置，相机坐标只与该点像素位置(x，y)有关，而与投射 条纹的周期编号和相位值无关，因此
[0043] hi(x，y)=h2(x，y) (3)
[0044] 联立(2-1) (2-2) (3)可得 r00451
(4)
[0046] 移项可得 r00471
(5)
[0048]定义归一化相位差分函数：
[0049]
(6)
[0050]定义高低条纹编号差分函数：
[0051] 5(n，m) =nTi_mT2(7)
[0052] 可见两个包裹相位之间的固有的相位差对应着固有的条纹周期编号组合S (n,m) 〇
[0053] 步骤7，计算相位差分函数：
[0054] 步骤8,查表得到对应的条纹编号(n，m)，然后利用编号恢复绝对相位。
[0055] 记最大量程hmax(x) = S满足S = CiTi，表示S为Ti的整数倍，i = l，2在此量程内，穷举 所有ni，mj的组合取值情况，建立ni，mj组合与aij对应的查找表，解包时通过式（6)求得 攻⑦，巧〇(=梅')，然后通过查表得到m，叫的值，求出相机坐标值，完成解包。
[0056] 解包完成后，可以通过常见的三角测距法还原物体的实际高度，请参阅图6,图6是 三角测距法的示意图。
[0057]
[0058] 其中A是为光栅截距，即相位变化一周期所对应的长度。
[0059] 上式是经典光栅投影的高度相位对应关系公式，在满足摄像机、投影仪和参考面 三者的对应关系的前提下，通过投影到参考平面X的光栅图像求解出相位值0 B。在测量时， 由于参考平面X放置被测物体200,光束会因物体表面调制使光栅图像发生变形，通过变形 的光栅图像可以求解出相位9a，最后将变形光栅和原始光栅相减，得出物体表面相位差0A-0 B带入上式就可以求出该物点的高度，完成从相位到物体高度的转化。
[0060] 综上，本实施例提供的双频相移三维投影测量仪20对满足特定条纹周期关系的光 栅对进行投影，能够扩大容差，便于为条纹编号，在硬件信噪比低的条件下也能正常测量。
[0061] 以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通 技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属 于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种光栅对，其特征在于：所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹 周期满5其中，h为低频条纹周期，T2S高频条纹周期表示向 下取#的最大整数，^是心的整数倍，&为设定量程对低频周期1^的倍数。2. -种双频相移三维投影测量仪，包括计算机，CCD相机，投影系统，以及被测物体平 台，所述投影系统包括一个光栅对，所述投影系统将所述光栅对分别先后投影在被测物体 上，所述CCD相机采集经所述被测物体调制后的条纹，并传输给所述计算机进行相位分析， 其特征在于：所述光栅对由高、低频条纹周期的正弦光栅组成，其条纹周期满足其中，h为低频条纹周期，T2S高频条纹周期表示向下取^的 最大整数，^是^的整数倍，C1为设定量程对低频周期1^的倍数。
【文档编号】G01B11/25GK205718873SQ201620346925
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】陈玉冰, 王妍, 陈泽雄, 陈观文, 刘胜德
【申请人】华南师范大学
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