专利名称：一种结构光三维测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量装置及其测量方法，尤其涉及一种结构光三维测量装置及其测量方法。
背景技术：
随着传感技术、控制技术和制造技术等相关技术的发展以及人们生产生活中的需要，三维测量技术逐渐成为了几何测量技术中的重点研究领域[1-2]。该技术通过一系列测量方法，获取被测物体表面三维轮廓数据。三维测量技术经过几十年的发展己经从原始的手工测量、机械测量发展到现在的三维面形图像测量。总体来说所有三维测量技术都可以分为接触式与非接触式两大类，具体测量方式分类如
图1所示。目前世界上三维测量理论的发展己经趋近成熟，但其在具体的应用方面还存在着诸多的局限性。就当前的三维测量产品说来，还存在着一些共同的不足之处，这也制约了三维测量技术的测量效率与精度，其中一些主要的缺点有以下几点1、由于系统测量视角的原因，大多数测量装置只能同时测量物体的某一个面，在测量整个物体时需要多次测量以获得多个角度的三维信息，因此，在拼接测量得到的多片三维数据时易产生人为的拼接误差，也会使得测量的效率降低。2、现 有的测量系统操作复杂，测量准备时间较长，对外部环境要求较高，而且所得测量数据处理速度慢。3、现有三维测量系统对三维数据处理能力不够完善，对进一步的数据处理不够深入，相关配套软件也不完备。4、一般现在的三维处理系统售价昂贵，普遍都在几十万元以上，对于一般性的小型三维测量而言，性价比不高，很难得到广泛使用。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够较佳准确地确定待测物的表面三维轮廓数据的结构光三维测量装置及测量方法。本发明是这样实现的，一种结构光三维测量装置，其包括投影仪，其用于对待测物分别投射具有一定时序的格雷码条纹图案、以及具有一定时序的线移条纹图案；取像仪，其用于对该待测物取像获得若干时序变化的格雷码条纹图像以及若干时序变化的线移条纹图像；以及中央处理器，其用于获取至少4η幅时序连续变化的格雷码条纹图像，其中，η为正整数，并进行解码提取该至少4η幅格雷码条纹图像中的条纹边缘，所有条纹边缘数为24η-1，在每幅格雷码条纹图像的处理中，将其所有条纹边缘h上点作为图像采样点，其中，h为正整数代表条纹边缘的排列序号，然后按条纹边缘h上点在相应格雷码条纹图像中的灰度值Gi确定该格雷码条纹图像的编码值Ki,其中，i=l,2,……，4n代表格雷码条纹图像的序数，进而求其投射角a i ;该中央处理器还用于获取至少4n幅时序连续变化的线移条纹图案，并进行解码提取每幅线移条纹图案中的白条纹中心，所有白条纹中心数为24n，将每个白条纹中心线t上点作为图像采样点，其中，t为正整数代表白条纹中心线的排列序号，然后按该白条纹中心线t上点在相应线移条纹图案中的灰度值确定编码值Yt，进而求其投射角a t ;以及该中央处理器还用于根据格雷码条纹图像的投射角a i以及线移条纹图案的投射角％计算该待测物的表面三维轮廓数据。作为上述方案的进一步改进，Ki满足以下公式Ki=24n-1+ ((G0G1G2 A GiJ 2) 10 · 2411+1 ;其中，4n 为格雷码条纹图像总数；i=l，2，……，4n，为格雷码条纹图像的序数而表示第i幅格雷码条纹图像中的灰度值，其中，Gtl为初始值，令Gq=O。作为上述方案的进一步改进，Yt满足以下公式Yt=24lrt+( (GtlG1G2A6^)2)^.24^1 ;其中，4n为线移条纹图像总数；t=l，2，……，4n，为线移条纹图像的序数；Gt表示第t幅线移条纹图像中的灰度值，其中，Gtl为初始值，令Gtl=CL作为上述方案的进一步改进，投射角a t满足以下公式
权利要求
1.一种结构光三维测量装置，其特征在于，其包括 投影仪，其用于对待测物分别投射具有一定时序的格雷码条纹图案、以及具有一定时序的线移条纹图案； 取像仪，其用于对该待测物取像获得若干时序变化的格雷码条纹图像以及若干时序变化的线移条纹图像；以及 中央处理器，其用于获取至少4η幅时序连续变化的格雷码条纹图像，其中，η为正整数，并进行解码提取该至少4η幅格雷码条纹图像中的条纹边缘，所有条纹边缘数为24η-1，在每幅格雷码条纹图像的处理中，将其所有条纹边缘h上点作为图像采样点，其中，h为正整数代表条纹边缘的排列序号，然后按条纹边缘h上点在相应格雷码条纹图像中的灰度值Gi确定该格雷码条纹图像的编码值Ki,其中，i=l，2，……，4n代表格雷码条纹图像的序数，进而求其投射角a i ; 该中央处理器还用于获取至少4n幅时序连续变化的线移条纹图案，并进行解码提取每幅线移条纹图案中的白条纹中心，所有白条纹中心数为24n，将每个白条纹中心线t上点作为图像采样点，其中，t为正整数代表白条纹中心线的排列序号，然后按该白条纹中心线t上点在相应线移条纹图案中的灰度值确定编码值Yt，进而求其投射角a,;以及 该中央处理器还用于根据格雷码条纹图像的投射角Cii以及线移条纹图案的投射角at计算该待测物的表面三维轮廓数据。
2.—种结构光三维测量装置，其特征在于，其包括 投影模块，其用于对待测物分别投射具有一定时序的射格雷码条纹图案、以及具有一定时序的线移条纹图案； 取像模块，其用于对该待测物取像获得若干时序变化的格雷码条纹图像以及若干时序变化的线移条纹图像；以及 数据处理模块，其包括 格雷码条纹图像解码模块，其用于获取至少4n幅时序连续变化的格雷码条纹图像，其中，η为正整数，并进行解码提取该至少4η幅格雷码条纹图像中的条纹边缘，所有条纹边缘数为24η-1，在每幅格雷码条纹图像的处理中，将其所有条纹边缘h上点作为图像采样点，其中，h为正整数代表条纹边缘的排列序号，然后按条纹边缘h上点在相应格雷码条纹图像中的灰度值Gi确定该格雷码条纹图像的编码值Ki,其中，i=l,2,……，4n代表格雷码条纹图像的序数，进而求其投射角a i ; 线移条纹图案解码模块，其用于获取至少4n幅时序连续变化的线移条纹图案，并进行解码提取每幅线移条纹图案中的白条纹中心，所有白条纹中心数为24n，将每个白条纹中心线t上点作为图像采样点，其中，t为正整数代表白条纹中心线的排列序号，然后按该白条纹中心线t上点在相应线移条纹图案中的灰度值确定编码值Yt，进而求其投射角a t ;以及 整合模块，其用于根据格雷码条纹图像的投射角Cii以及线移条纹图案的投射角％计算该待测物的表面三维轮廓数据。
3.如权利要求1或2所述的结构光三维测量装置，其特征在于，Ki满足以下公式
4.如权利要求1或2所述的结构光三维测量装置，其特征在于，Yt满足以下公式 YJ4KG0G1G2 Λ&Η)2)10·24η-Η ;其中，4η为线移条纹图像总数；t=l，2，……，4n，为线移条纹图像的序数；Gt表示第t幅线移条纹图像中的灰度值，其中，Gtl为初始值，令Gtl=CL
5.如权利要求1或2所述的结构光三维测量装置，其特征在于，投射角Cit满足以下公式at=a0+ arctan[(24,; ' -/Q· (*^)],其中，2 a i为投影用的投射角范围，％为投射角2 α I的中线与X轴的夹角，X轴为平行于水平地面。
6.如权利要求1或2所述的结构光三维测量装置，其特征在于，投射角α,满足以下公式％ rQ^ + arctai^tano^+ ，其中，2 a i为投影用的投射角范围，a ^为投射角2 α I的中线与X轴的夹角，X轴为平行于水平地面。
7.如权利要求1或2所述的结构光三维测量装置，其特征在于，改变投影用的投射角范围，获取新的格雷码条纹图像的投射角Cii以及线移条纹图案的投射角at，根据两次获得的格雷码条纹图像的投射角Cii以及线移条纹图案的投射角Cit计算该待测物的表面三维轮廓数据。
8.—种结构光三维测量方法，其特征在于，其包括以下步骤 对待测物分别投射具有一定时序的射格雷码条纹图案、以及具有一定时序的线移条纹图案； 对该待测物取像获得若干时序变化的格雷码条纹图像以及若干时序变化的线移条纹图像； 获取至少4n幅时序连续变化的格雷码条纹图像，其中，η为正整数，并进行解码提取该至少4η幅格雷码条纹图像中的条纹边缘，所有条纹边缘数为24η-1，在每幅格雷码条纹图像的处理中，将其所有条纹边缘h上点作为图像采样点，其中，h为正整数代表条纹边缘的排列序号，然后按条纹边缘h上点在相应格雷码条纹图像中的灰度值Gi确定该格雷码条纹图像的编码值Ki,其中，i=l，2，……，4n代表格雷码条纹图像的序数，进而求其投射角Cii ; 获取至少4n幅时序连续变化的线移条纹图案，并进行解码提取每幅线移条纹图案中的白条纹中心，所有白条纹中心数为24n，将每个白条纹中心线t上点作为图像采样点，其中，t为正整数代表白条纹中心线的排列序号，然后按该白条纹中心线t上点在相应线移条纹图案中的灰度值确定编码值Yt，进而求其投射角at;以及 根据格雷码条纹图像的投射角Cii以及线移条纹图案的投射角α,计算该待测物的表面三维轮廓数据。
9.如权利要求8所述的结构光三维测量方法，其特征在于，Ki满足以下公式 Kp4KG0G1G2 Λ Gh) J10C4n+1 ;其中，4η为格雷码条纹图像总数；i=l，2，……，4n，为格雷码条纹图像的序数A表示第i幅格雷码条纹图像中的灰度值，其中，Gtl为初始值，令 G0=O。
10.如权利要求8所述的结构光三维测量方法，其特征在于，Yt满足以下公式Yt=24lrt+((GtlG1G2 AGh)2)10 · 24η_Η ;其中，4η 为线移条纹图像总数；t=l，2，……，4n，为线移条纹图像的序数；Gt表示第t幅线移条纹图像中的灰度值，其中，G0为初始值，令Gtl=CL
11.如权利要求8所述的结构光三维测量方法，其特征在于，投射角α,满足以下公式
12.如权利要求8所述的结构光三维测量方法，其特征在于，投射角α,满足以下公式
全文摘要
本发明涉及一种结构光三维测量装置，其包括投影仪，其用于对待测物分别投射具有一定时序的格雷码条纹图案、以及具有一定时序的线移条纹图案；取像仪，其用于对该待测物取像获得若干时序变化的格雷码条纹图像以及若干时序变化的线移条纹图像；中央处理器，其用于获取至少4n幅时序连续变化的格雷码条纹图像，其中，n为正整数，并进行解码，还用于获取至少4n幅时序连续变化的线移条纹图案，并进行解码；还用于根据格雷码条纹图像的投射角αi以及线移条纹图案的投射角αt计算该待测物的表面三维轮廓数据。本发明的优点在于能够较佳准确地确定待测物的表面三维轮廓数据。本发明还涉及另一种软件实现的结构光三维测量装置及其测量方法。
文档编号G01B11/25GK103033147SQ201310008280
公开日2013年4月10日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者时圣柱 申请人:中航华东光电有限公司