基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法和系统与流程

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法和系统。

背景技术：

结构光投影三维测量方法作为物体三维测量的有效技术手段，在人体建模、医学诊断、工业生产检测等领域发挥着重要的作用。在传统的多焦点结构光投影三维测量系统中，需要将周期性的点阵投影到被测物体表面并使用多个探测器对被测物体进行多个不同角度的图像采集，通过对物体表面的每个投影点的三维坐标进行计算来获得被测物体轮廓的三维信息。整个数据处理流程包括相机标定、图像获取、特征提取、图像匹配和三维重建等，整个三维测量系统硬件成本较高、数据处理流程较繁琐。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的三维测量系统硬件成本较高、数据处理流程较繁琐的问题，提供一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法和系统。

一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法，包括：

将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面；

接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光；

将所述单螺旋光旋转180度；

将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据；

对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。

上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法，包括将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面，接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光，将所述单螺旋光旋转180度，将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据，对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。通过在待测物上投影周期分布的点阵，从而可以在接收光路一次性获得高密度的三维点云数据，提高了测量速度，还将待测物的反射光调制成单螺旋光，简化了图像数据的处理流程，结构简单。

在其中一个实施例中，所述对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理包括：

将所述第一图像数据及所述第二图像数据的像素灰度值进行叠加，得到第三图像数据；

对所述第三图像数据进行降噪处理，并截取出所述第三图像中的每对单螺旋点，以构成多个亚区域图像堆栈，其中，每个亚区域包括一对单螺旋点及其周围的像素；

对所述多个亚区域进行并行处理；

计算每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标和旋转角度；

根据所述旋转角度计算每对单螺旋点对应的投影点的物面深度；

根据每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标及每对单螺旋点对应的投影点的物面深度重构所述待测物的三维轮廓。

在其中一个实施例中，所述将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面包括：

光源发射的光经第一透镜照射于靶标上；

所述靶标将发射光调制成周期分布的投影光；

所述投影光经第二透镜入射至反射镜并由所述反射镜反射至半透半反镜；

所述半透半反镜将所述投影光经第三透镜投射于待测物上。

在其中一个实施例中，所述接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光包括：

所述待测物的反射光经所述第三透镜入射至所述半透半反镜；

经所述半透半反镜的反射光入射至相位调制单元；

所述相位调制单元将所述反射光调制成单螺旋光。

一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统，包括：

投影单元，用于将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面；

相位调制单元，用于接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光；

旋转单元，用于将所述单螺旋光旋转180度；

探测单元，用于将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据；及

图像重构单元，与所述探测单元电连接，用于对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。

上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统，投影单元将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面，相位调制单元接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光，旋转单元将所述单螺旋光旋转180度，探测单元将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据，图像重构单元对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。通过在待测物上投影周期分布的点阵，从而可以在接收光路一次性获得高密度的三维点云数据，提高了测量速度，还将待测物的反射光调制成单螺旋光，简化了图像数据的处理流程，结构简单。

在其中一个实施例中，所述图像重构单元包括：

叠加单元，用于将所述第一图像数据及所述第二图像数据的像素灰度值进行叠加，得到第三图像数据；

截取单元，用于对所述第三图像数据进行降噪处理，并截取出所述第三图像中的每对单螺旋点，以构成多个亚区域图像堆栈，其中，每个亚区域包括一对单螺旋点及其周围的像素；

并行处理单元，用于对所述多个亚区域进行并行处理；

计算单元，用于计算每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标和旋转角度；所述计算单元还用于根据所述旋转角度计算每对单螺旋点对应的投影点的物面深度；及

重构单元，用于根据每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标及每对单螺旋点对应的投影点的物面深度重构所述待测物的三维轮廓。

在其中一个实施例中，还包括：

光源；

投影单元包括第一透镜、靶标、第二透镜、反射镜、半透半反镜及第三透镜；

所述光源、所述第一透镜、所述靶标、所述第二透镜、所述反射镜、所述半透半反镜及所述第三透镜沿发射光路依次设置，所述靶标贴靠于所述第一透镜远离所述光源的一侧且位于所述第二透镜靠近所述第一透镜一侧的焦平面上，所述第三透镜远离所述半透半反镜一侧的焦平面与所述待测物的待测面重合；

所述光源发射的光经所述第一透镜照射于靶标上，所述靶标用于将发射光调制成周期分布的投影光，所述投影光经所述第二透镜入射至所述反射镜并由所述反射镜反射至所述半透半反镜，所述半透半反镜用于将所述投影光经第三透镜投射于待测物上。

在其中一个实施例中，所述靶标上开设有多个间隔均匀的通孔。

在其中一个实施例中，所述相位调制单元包括相位组件及第四透镜，所述第三透镜、所述半透半反镜、所述相位组件、所述第四透镜及所述探测单元沿接收光路依次设置，所述第四透镜靠近所述相位组件一侧的焦平面与所述第三透镜靠近所述半透半反镜一侧的焦平面重合；

所述待测物的反射光经所述第三透镜入射至所述半透半反镜，并经所述半透半反镜的反射光入射至相位调制单元，所述相位组件用于将所述反射光调制成单螺旋光，所述单螺旋光从所述相位组件出射并经所述第四透镜入射至所述探测单元。

在其中一个实施例中，所述相位组件包括多个依次套设的环形相位片。

附图说明

图1为一实施例中的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法的流程图；

图2为一实施例中的点扩散函数的示意图；

图3为一实施例中的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法的子流程图；

图4为一实施例中的投影光的投影强度分布示意图；

图5为一实施例中的第一图像数据的示意图；

图6为一实施例中的第二图像数据的示意图；

图7为一实施例中的第三图像数据的示意图；

图8为另一实施例中的第三图像数据的示意图；

图9为另一实施例中的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法的流程图；

图10为一实施例中的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统的原理框图；

图11为一实施例中的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统的光路图；

图12为一实施例中的靶标的俯视图；

图13为一实施例中的相位组件的俯视图；

图14为一实施例中的图像重构单元的功能模块图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请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申请的公开内容理解的更加透彻全面。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。

请参阅图1，本申请实施例提供一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法，包括以下步骤。

步骤s01，将发射光调制成周期分布的投影光并将投影光投射于待测物表面。

对从光源发射出来的发射光的光强分布进行调制，将发射光调制成周期分布的点阵，即周期分布的投影光，再将投影光投射至待测物表面，使得待测物表面的投影光形成周期分布的点阵图案。

步骤s02，接收待测物的反射光并将反射光调制成单螺旋光。

待测物反射的信号光，即反射光被相位调制单元接收，相位调制单元将反射光由普通点扩散函数的形式调制成单螺旋点扩散函数的形式，即将高斯分布的反射光调制成单螺旋光，如图2所示，图2(a)为单螺旋点扩散函数的示意图，图2(b)为普通点扩散函数的示意图，即非单螺旋点扩散函数的示意图。点扩散函数经相位调制后，其横截面强度分布为偏离中心的一个类高斯点，当投影位置远离待测物的待测面时，投影点在待测物的待测面上的类高斯点会绕中心旋转，并且偏离的距离z与旋转角度θ成正比，因此，可以根据单螺旋点的旋转角度来确定待测物的待测面投影点位置的轴向信息。

步骤s03，将单螺旋光旋转180度。

单螺旋光的旋转可以通过旋转相位调制单元实现，当相位调制单元旋转180度后，从相位调制单元出射的单螺旋光相对于入射至相位调制单元的单螺旋光旋转了180度。单螺旋光旋转180度，即单螺旋点围绕待测物上的投影点位置旋转了180度。

步骤s04，将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据。

旋转前的单螺旋光，即单螺旋光的旋转角度为0度，也就是说，相位调制单元没有进行旋转前，从相位调制单元出射的单螺旋光相对于入射至相位调制单元的单螺旋光的旋转角度为0度的情况。第一图像数据与第二图像数据中相同的单螺旋点是围绕投影位置呈中心对称的关系。

步骤s05，对第一图像数据及第二图像数据进行处理，以重构待测物的三维轮廓。

上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法中，对第一图像数据及第二图像数据进行处理具体包括：

请参阅图3，步骤s051，将第一图像数据及第二图像数据的像素灰度值进行叠加，得到第三图像数据。

请参阅图4至图8，本步骤中，将第一图像数据中与第二图像数据中对应像素位置的灰度值进行相加，得到第三图像数据。第三图像数据对应的图像的尺寸与第一图像数据对应的图像的尺寸一致或与第二图像数据对应的图像的尺寸一致。第一图像数据对应的图像的尺寸与第二图像数据对应的图像的尺寸相等。在第三图像数据对应的图像中，每个投影位置包括一对单螺旋点。图4为投影光在待测物表面的投影强度分布。图5为离焦距离z＝0cm时，第一图像数据的示意图。图6为离焦距离z＝0cm时，第二图像数据的示意图。图7为离焦距离z＝0cm时，第三图像数据的示意图。图8为离焦距离z＝0.5cm时，第三图像数据的示意图。离焦距离即在第三图像数据对应的图像中的三维xyz坐标系中投影点的轴向距离，也即上述的偏离的距离z。

步骤s052，对第三图像数据进行降噪处理，并截取出第三图像中的每对单螺旋点，以构成多个亚区域图像堆栈。其中，每个亚区域包括一对单螺旋点及其周围的像素。

本步骤中，对第三图像数据进行降噪处理具体包括：先对第三图像数据进行高通滤波，以去除大量的背景噪声，再通过腐蚀和膨胀的方式将第三图像数据中离散的噪声去除。截取出第三图像中的每对单螺旋点，即将每对单螺旋点和该对单螺旋点周围的像素从第三图像数据对应的图像中截取出来。亚区域的尺寸可以根据实际需要设定，合理的亚区域尺寸可以避免亚区域中出现多余的单螺旋点。在一实施例中，亚区域尺寸为25pixels×25pixels。

步骤s053，对所述多个亚区域进行并行处理。

多个亚区域分别以s，s2...sn表示，其中，n为大于1的整数。

步骤s054，计算每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标和旋转角度。

具体的，先在第三图像数据对应的图像中建立xyz坐标系，再对每个亚区域中的每对单螺旋点进行双高斯拟合，得到每对单螺旋点的横向坐标分别为(xn,1,yn,1)和(xn,2,yn,2)，再根据每对单螺旋点的横向坐标计算得到该对螺旋点的中心坐标该中心坐标即待测物上投影点的横向坐标。最后，计算每对单螺旋点中的两个单螺旋点的连线与y轴的夹角，此夹角即单螺旋点的旋转角θn。

步骤s055，根据旋转角度计算每对单螺旋点对应的投影点的物面深度。

每对单螺旋点对应的投影点的物面深度，即每个投影点的轴向坐标zn，因此，每个投影点的三维坐标为每对单螺旋点对应的投影点的物面深度也即上述的离焦距离。

本步骤中，可以根据单螺旋点的旋转角度θn与每个投影点的轴向坐标zn的关系k，计算每个投影点的轴向坐标zn＝kθn。

请参阅图9，单螺旋点的旋转角度θn与每个投影点的轴向坐标zn之间的线性关系k的标定方法具体包括：

步骤s101，将白色亚克力板作为被测物体垂直固定在位移台上。

位移台能够以预设距离进行移动，即位移台每次移动预设距离。

步骤s102，将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面。

步骤s103，接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光。

步骤s104，将所述单螺旋光旋转180度。

步骤s105，将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据。

步骤s106，判断位移台的移动次数是否达到预设次数。

步骤s107，若位移台的移动次数达到预设次数，根据位移台在各个位置对应的第一图像数据和第二图像数据计算得到单螺旋点的旋转角度及对应的投影点的轴向坐标，并将每个单螺旋点的旋转角度及其对应的投影点的轴向坐标进行线性拟合，以获取单螺旋点的旋转角度θn与每个投影点的轴向坐标zn之间的线性关系k。轴向坐标即物面深度。

步骤s056，根据每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标及每对单螺旋点对应的投影点的物面深度重构待测物的三维轮廓。

本步骤中，每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标及每对单螺旋点对应的投影点的物面深度，即每个投影点的三维坐标将每个投影点的三维坐标导入三维点云处理软件中进行处理，即可重构出投影区域物体的三维轮廓。

上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量方法，包括将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面，接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光，将所述单螺旋光旋转180度，将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据，对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。通过在待测物上投影周期分布的点阵，从而可以在接收光路一次性获得高密度的三维点云数据，提高了测量速度，还将待测物的反射光调制成单螺旋光，简化了图像数据的处理流程，结构简单。

请参阅图10，本申请实施例还提供一种基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统，包括投影单元10、相位调制单元20、旋转单元30、探测单元40及图像重构单元50，探测单元40与图像重构单元50电连接。

投影单元10用于将发射光调制成周期分布的投影光并将投影光投射于待测物100表面。相位调制单元20用于接收待测物100的反射光并将反射光调制成单螺旋光。旋转单元30用于将所述单螺旋光旋转180度。探测单元40用于将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据。图像重构单元50用于对第一图像数据及第二图像数据进行处理，以重构待测物100的三维轮廓。

需要说明的是，旋转单元30与相位调制单元20连接，旋转单元30通过旋转相位调制单元20实现对单螺旋光的旋转，当相位调制单元20旋转180度后，从相位调制单元20出射的单螺旋光相对于入射至相位调制单元20的单螺旋光旋转了180度。单螺旋光旋转180度，即单螺旋点围绕待测物100上的投影点位置旋转了180度。旋转前的单螺旋光，即单螺旋光的旋转角度为0度，也就是说，相位调制单元20没有进行旋转前，从相位调制单元20出射的单螺旋光相对于入射至相位调制单元20的单螺旋光的旋转角度为0度的情况。第一图像数据与第二图像数据中相同的单螺旋点是围绕投影位置呈中心对称的关系。

探测单元40可以是光电探测器，图像重构单元50可以是计算机。

请参阅图11，上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统还包括光源60。投影单元10包括第一透镜11、靶标12、第二透镜13、反射镜14、半透半反镜15及第三透镜16。光源60、第一透镜11、靶标12、第二透镜13、反射镜14、半透半反镜15及第三透镜16沿发射光路依次设置，靶标12贴靠于第一透镜11远离光源60的一侧且位于第二透镜13靠近第一透镜11一侧的焦平面上，第三透镜16远离半透半反镜15一侧的焦平面与待测物100的待测面重合。光源60、第一透镜11、靶标12、第二透镜13、反射镜14、半透半反镜15及第三透镜16组成发射光路。

光源60发射的光经第一透镜11照射于靶标12上，靶标12用于将发射光调制成周期分布的投影光，投影光经第二透镜13入射至反射镜14并由反射镜14反射至半透半反镜15，半透半反镜15用于将投影光经第三透镜16投射于待测物100上，投影光在待测物100的表面上形成周期点阵图案。

在一实施例中，光源60为led光源，led光源的发光为蓝光，即投影光是蓝光。

请参阅图12，靶标12上开设有多个间隔均匀的通孔121，即多个通孔121周期分布。靶标12上的通孔121可以让发射光通过，除了通孔以外的地方不透光。均匀分布的发射光通过靶标12后，调制成周期分布的投影光。通孔121的大小及间距决定了投影光在待测物100上的投影点的间距和亮度。在一实施例中，所述通孔121为圆孔。

相位调制单元20包括相位组件21及第四透镜22，第三透镜16、半透半反镜15、相位组件21、第四透镜22及探测单元40沿接收光路依次设置于待测物100，第四透镜22靠近相位组件21一侧的焦平面与第三透镜16靠近半透半反镜15一侧的焦平面重合。

待测物100的反射光经第三透镜16入射至半透半反镜15，并经半透半反镜15的反射光入射至相位调制单元20，相位组件21用于将反射光调制成单螺旋光，单螺旋光从相位组件21出射并经第四透镜22入射至探测单元40。

请参阅图13，相位组件21包括多个依次套设的环形相位片211。若相位组件21的环形相位片211的个数为n个，设靠近相位组件21中心的相位片211为第1相位片211，第2相位片211套设于第1相位片211外，第3相位片211套设于第2相位片211外，依此类推，第n相位片211套设于第n-1相位片211外。第2相位片211的内径等于第1相位片211的外径，第3相位片211的内径等于第2相位片211的外径，依此类推，第n-1相位片211的内径等于第n-2相位片211的外径，第n-1相位片211的外径等于第n相位片211的内径。当相位组件21的环形相位片211的个数为n个，相位组件21的透过率函数如下：

其中，为极坐标，n＝1,2,3…n；r为相位片的半径。因此，相位组件21的环形相位片211的个数n决定着单螺旋点旋转一定角度对应的轴向范围，随着n的增加，单螺旋点距离旋转中心的距离增加，轴向范围也相应的扩大。

请参阅图14，图像重构单元50包括叠加单元51、截取单元52、并行处理单元53、计算单元54及重构单元55。叠加单元51用于将第一图像数据及第二图像数据的像素灰度值进行叠加，得到第三图像数据。截取单元52用于对第三图像数据进行降噪处理，并截取出第三图像中的每对单螺旋点，以构成多个亚区域图像堆栈，其中，每个亚区域包括一对单螺旋点及其周围的像素。并行处理单元53用于对所述多个亚区域进行并行处理。计算单元54用于计算每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标和旋转角度。计算单元54还用于根据旋转角度计算每对单螺旋点对应的投影点的物面深度。重构单元55用于根据每对单螺旋点的两个单螺旋点之间的中心坐标及每对单螺旋点对应的投影点的物面深度重构待测物100的三维轮廓。

上述的基于点扩散函数工程的三维轮廓测量系统，投影单元将发射光调制成周期分布的投影光并将所述投影光投射于待测物表面，相位调制单元接收所述待测物的反射光并将所述反射光调制成单螺旋光，旋转单元将所述单螺旋光旋转180度，探测单元将旋转前的单螺旋光转换成第一图像数据及将旋转180度后的单螺旋光转换成第二图像数据，图像重构单元对所述第一图像数据及所述第二图像数据进行处理，以重构所述待测物的三维轮廓。通过在待测物上投影周期分布的点阵，从而可以在接收光路一次性获得高密度的三维点云数据，提高了测量速度，还将待测物的反射光调制成单螺旋光，简化了图像数据的处理流程，结构简单。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。