一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，该方法将条纹投影轮廓术并结合曲波变换用于跃变物体的三维面形测量中。基于结构光投影的条纹轮廓术是一种高精度、快速、非相干的光学全场物体三维面形测量技术，并且实验装置简单，主要包括计算机、投影仪和数码相机。所述投影仪用于对待测跃变物体投射多套频率不同的正弦条纹图案，数码相机记录下变形的条纹图案并传送至计算机，再利用曲波变换对变形条纹图去噪，并结合相移方法解调出变形条纹的相位分布，利用相位展开方法获取展开相位分布。最后根据相位-高度关系得到跃变物体的三维数据。本发明的主要增益：提供了一种高精度、快速的全场测量技术对跃变物体三维面形测量。
【专利说明】一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将基于条纹投影轮廓术的三维测量方法结合曲波变换图像去噪方法用于跃变物体三维面形测量的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着精密机械加工、汽车制造、精密光学加工、半导体行业、精密仪器制造、模具设计、逆向工程等领域的快速发展，人们日益迫切地希望能够对面形跃变的工件物体进行精确测量，传统的二维数据测量设备已不能满足日趋现代化、自动化的生产要求，三维测量技术应运而生。
[0003]目前对跃变物体(主要是物体表面含有类似台阶的阶梯状形状)面形(物体的表面形貌)的测量主要有接触式三坐标测量仪、光学扫描、干涉仪等。但是，这些测量系统都对测量条件要求较高或是测量速度较慢或是测量范围小或是测量精度不高，不适合跃变物体快速、高精度、大范围的三维面形检测，如接触式三坐标机测量时间相当长(通常数小时以上)，而且可能破坏待测物体表面，干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体，且测量条件、环境要求苛刻，测量范围非常的小。
[0004]近年来，提出一种基于条纹投影的三维测量方法。该方法是通过投影仪投射正弦条纹图，经过被测跃变物体表面反射后条纹会发生变形。相机记录下变形图样，经图像处理得到相位分布，计算出被测物体的三维高度信息。因其速度快、精度高、非接触、易操作的特点，得到了各行业的广泛关注与应用。尤其是在工业精密零部件加工与制造、手机模型的检测、半导体电路加工质量的检测、逆向工程等领域，该光学三维面形测量方法起着非常重要的作用。
[0005]跃变物体进行高精度三维测量的难点在于不能准确获取空间孤立的截断区域的相位分布信息及相位展开。解决这一难题首先须要对图像进行去噪处理，最后通过N步相移技术结合时间相位展开方法获取准备的相位分布信息。
[0006]图像去噪的方法包括中值滤波、傅里叶变换法、小波变换法、曲波变换法等。中值滤波可以有效的去除噪声，但是造成明显的图像模糊现象。傅里叶变换法采用低通滤波器，但在滤除噪声的同时也将由跃变物体面形引起的高频信息成分滤除。小波变换发有很大改进，在分析信号局部特征时有很大优势，但在对跃变物体等复杂面形图像去噪时，仍然有一定的局限性，如造成跃变位置的移动变换，导致分辨率降低。曲波变换法具有多尺度、多方向的图像分析能力，能避免频谱混叠问题，它不仅能够非常有效地去除图像噪声，而且能完好地保留跃变物体面形的细节信息，提高相位解调的精确度。
[0007]N步相移的相位提取算法和基于最小二乘拟合的时间相位展开算法能在提取相位和展开相位的同时能够减少随机噪声以及由相机的非线性响应引入的非线性噪声，避免空间点上噪声的传播，对空间孤立的跃变区域的相位展开有显著优势。
【发明内容】
[0008]本发明公开了一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，该方法将条纹投影轮廓术(FPP)并结合曲波变换(Curvelettransform)用于跃变物体(面形不连续、不平滑)的三维面形测量中。
[0009]本发明通过以下技术方案实现:一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于包括以下几个步骤:
[0010]一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，包括以下几个步骤:
[0011]步骤1、投影仪向被测跃变物体投影强度呈正弦分布的条纹图像，相机拍摄记录被跃变物体面形所调制的条纹图像，此时被测跃变物体表面的高度信息调制被在得到变形条纹的相位中；
[0012]步骤2、利用曲波变换对变形条纹进行图像去噪处理，得到高信噪比的变形条纹图；
[0013]步骤3、对经图像去噪处理后的变形条纹图进行相位解调，得到变形条纹的相位分布，此时解调得到的相位是截断的，然后载频去除和进行相位展开；
[0014]步骤4、得到连续的展开相位后，通过FPP的相位高度关系获得跃变物体表面的三维高度信息。
[0015]上述技术方案中，所述步骤I中的变形条纹图1 (x，y)，可以表示为:
[0016]I (χ, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [2 π f0 (χ, y) χ+ φ (χ, y)]其中 I (χ, y)表示相机记录的光强分布，A(x, y)是背景光强，B(x, y)是调制度分布，f0(x, y)是载频的频率函数，Φ (x，y)是与跃变物体表面高度相关的相位分布，(x，y)为变形条纹图像的二维坐标。
[0017]上述技术方案中，所述步骤2中，变形条纹图像进行图像去噪处理，具体过程如下:
[0018]I)、采用二维连续曲波变换对变形条纹图像I (x，y)进行处理，处理过程为:
【权利要求】
1.一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，包括以下几个步骤: 步骤1、向被测跃变物体投影强度呈正弦分布的条纹图像，拍摄记录被跃变物体面形所调制的条纹图像，得到变形条纹； 步骤2、利用曲波变换对变形条纹进行图像去噪处理，得到高信噪比的变形条纹图； 步骤3、对经图像去噪处理后的变形条纹图进行相位解调，得到变形条纹的相位分布，然后载频去除和进行相位展开； 步骤4、得到连续的展开相位后，通过FPP的相位高度关系获得跃变物体表面的三维高度?目息。
2.根据权利要求1所述的一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于:所述步骤I中的变形条纹图1 (X，y)，表示为:
I (X，y) = A(x, y) +B (x, y)cos[2 π f0 (χ, y) χ+Φ (χ, y)]其中 I (χ, y)表示相机记录的光强分布，A(x，y)是背景光强，B(x，y)是调制度分布，&(x，y)是载频的频率函数，Φ (x, y)是与跃变物体表面高度相关的相位分布，(x，y)为变形条纹图像的二维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于:步骤2中，变形条纹图像进行图像去噪处理，具体过程如下: 1)、采用二维连续曲波变换对变形条纹图像I(X，y)进行处理，处理过程为:
4.根据权利要求1所述的一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于:步骤3中，对经图像去噪处理后的变形条纹图中的相位信息进行分析解调，得到变形条纹的相位分布； 下式为得到的第η帧相移图像光强的表达式:
5.根据权利要求1所述的一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于:所述步骤3中将其进行相位展开具体包括以下步骤:逐点对比第k套展开相位图与第k+Ι套截断相位图在同一点处的相位值，若二者的相位差值大于η，则第k+Ι套截断相位图在该点的相位加2 π，若差值小于-π，则第k+Ι套截断相位图在该点的相位减2 π，否则相位值不变，运算过程如下:
6.根据权利要求1所述的一种用于跃变物体的高精度三维面形测量的方法，其特征在于:所述展开相位，包含载频相位外和跃变物体的高度相关的相位Φ (x，y),须对展开相位进行载频去除，载频去除采用减参考面法或标定法。
【文档编号】G01B11/25GK103940371SQ201410199251
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】岳慧敏, 赵必玉, 吴雨祥, 张博, 刘永 申请人:电子科技大学