一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，该系统仅需要一部智能拍照手机，该系统简单、经济、便携。调整系统使手机的前置摄像头能通过待测镜面物体观测到手机的显示屏。在显示屏上显示正弦条纹，然后用手机前置摄像头通过待测镜面物体记录变形的条纹，对变形条纹相位解调，获得待测镜面水平方向和垂直方向的梯度分布，最后对梯度积分得到待测镜面的三维形貌信息。本发明在测量过程中，主要使用的器件仅仅是一部带拍照功能的智能手机，利用本发明可以实现镜面物体表面缺陷及面形的简单、便携测量。
【专利说明】-种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及镜面或者类镜面物体表面或轮廓的计量的【技术领域】，是一种基于智能 拍照手机的镜面三维面形测量系统的简单、便携的测量手段。
【背景技术】
[0002] 随着精密光学制造、加工和集成电路、太阳能电池等领域的发展，镜面或类镜面反 射物体的缺陷检测和三维面形测量显得越来越重要，如对自由曲面的镜面或透镜（如眼 镜）的检测，对汽车表面等喷漆质量的控制（桔皮现象），精密器件表面加工质量评估等。 通过对各种镜面或类镜面表面的测量，可以得到相应制造过程中各种参数（如打磨转速， 打磨材料等）对表面加工质量的影响，进而为提高改进加工工艺提供参考。
[0003] 现有的镜面物体检测手段，由于存在着某些缺点，很难直接用于工业检测。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，并且对环境振动十分敏感，不适 合用于工业测量环境。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。对此，人们提出一种基于条纹反射的镜面物体三维测量方法。这是一种高灵 敏、非相干的光学全场测量技术，可对任何材质的自由面形光滑表面（如各种非球面镜片， 抛光的金属表面，汽车和飞机喷漆表面等）进行快速和高精度的曲率分布以及三维形貌测 量。通过对精密加工工件表面微结构的分解分析，可以得到加工过程中工具的移动、振动等 信息，也可以通过对喷漆表面起伏结构和微观结构的分解分析来研究改进不同漆料的配比 和喷涂工艺等。
[0004] 但是，传统的条纹反射法系统需要CCD相机、液晶显示屏、相机驱动电源、控制显 示屏显示的电脑等，不够便携，一般需要将待测物体移至测量系统中再测量。黄磊等在2013 年提出了一种紧凑的测量系统，虽然整个系统体积小大约（5X 5X 20cm3)，但是测量系统仍 然需要CCD相机，对于有些需要即时测量的情况，不够方便、便携。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于智能拍照手机的镜面三 维面形测量的条纹反射系统，实现简单、便携的测量。
[0006] 为了实现上述技术方案本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于包括以下步骤：
[0008] 步骤1、调整手机位置，使得前置摄像头通过待测镜面观测到手机显示屏；
[0009] 步骤2、在手机显示屏上显示条纹；
[0010] 步骤3、通过手机前置摄像头拍摄步骤中2条纹经待测镜面反射后得到的变形条 纹，待测镜面的梯度信息被调制在变形条纹的相位中；
[0011] 步骤4、步骤3中得到变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，将其载频去 除，然后进行相位展开；
[0012] 步骤5、步骤4中得到展开后的相位，通过相位梯度关系获得待测镜面的梯度信 息，对梯度积分得到三维形貌。
[0013] 上述技术方案中，对于步骤3中所述变形条纹的光强表示为：
【权利要求】
1. 一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于包括以下步骤： 步骤1、调整手机位置，使得前置摄像头通过待测镜面观测到手机显示屏； 步骤2、在手机显示屏上显示条纹； 步骤3、通过手机前置摄像头拍摄步骤中2条纹经待测镜面反射后得到的变形条纹，待 测镜面的梯度信息被调制在变形条纹的相位中； 步骤4、步骤3中得到变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，将其载频去除，然 后进行相位展开； 步骤5、步骤4中得到展开后的相位，通过相位梯度关系获得待测镜面的梯度信息，对 梯度积分得到三维形貌。
2. 根据权利要求1所述基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：对 于步骤3中所述变形条纹的光强表示为：
水平方向： 坚直方向： 其中，I (X，y)和J(x, y)表示手机相机记录的光强分布，Ajx，y)和A2(x, y)分别表示 水平方向和坚直方向的背景光强，Bjiy)和氏(1，7)分别表示水平方向和坚直方向的调制 度分布，f〇(x，y)表示载频的频率函数，死和％ 分别表示水平方向和坚直方向 的与待测镜面的梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：
上式分别表不待测镜面表面的梯度在水平方向和坚直方向上的分量与相位的关系，式 中Ly表示显示屏到待测镜面的距离，匕和匕分别表示手机显示屏上显示的水平方向和坚直 方向正弦条纹的周期，Sx和Sy分别表示水平方向和坚直方向上的梯度分量。
3. 根据权利要求1所述基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所 述步骤4中，对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调，得到总相位，采用基于傅里 叶变换相位解调办法，先对变形条纹光强进行傅里叶变换，得到频谱，通过带通滤波器，将 频谱中的一个基频分量提取出来，然后对该基频分量进行逆傅里叶变换，逆傅里叶变换后 的矩阵为F(x，y)，那么变形条纹的相位可通过以下表达式求得：
其中，K&V)为变形条纹相位，Im表示取虚部的算符，F#(x，y)为F(x，y)的共轭。
4. 根据权利要求1所述的基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所述步骤4中将其进行相位展开表示将值域在-JI到+JI内的截断相位展开成连续相位， 具体的展开方法可以分为空间相位展开方法和时间相位展开方法，空间相位展开方法又分 为路径展开方法和全局展开。
5.根据权利要求1所述的基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统，其特征在于：所述步骤5中的对梯度积分得到三维形貌中的梯度是指通过步骤4中的相位以及相位梯度 关系获得的梯度，为了得到物体表面的三维高度分布，需要对得到的两个垂直方向分布的 梯度分量进行二维积分，具体过程如下： Z = / Sxdx+Sydy 其中，Z即待测物体表面的三维高度分布，S!^PSy分别指梯度在水平方向和坚直方向 的分量。
【文档编号】G01B11/24GK104279980SQ201410558091
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】岳慧敏, 吴雨祥, 易京亚, 李明阳, 熊竹, 刘永 申请人:电子科技大学