一种便携式光栅投影三维面形测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量系统及方法，具体地说，涉及一种便携式光栅投影三维面形测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]伴随着计算机技术、光学测量技术和数字图像处理技术快速发展，三维形貌测量方法层出不穷。在众多测量方法当中，通过光学技术获取被测物体的三维信息成为了一项热点技术。传统的接触式三维测量技术，需要通过机械探针接触被测物体，通过触点获得被测物体表面精确的坐标信息。
[0003]接触式三维测量技术测量精度较高，对被测物体的色泽没有要求，但是该技术测量过程耗时较长，对于复杂表面难于测量，而且机械探针会与物体表面接触产生形变，会影响测量结果的精度，最重要的是对一些无法接触或不适宜接触的物体，传统的接触式测量技术就无能为力了。
[0004]很多工程应用领域需要对物体的三维形貌进行测量，例如考古文物、汽车表面的检测、玩具的设计和制造、动画影视的三维建模等各种领域。目前很多形貌测量采用接触式测量，不仅测量精度低，对被测物体有可能造成损伤，而且对不适宜接触的物体基本无法进行测量。另外，这类测量装置一般体积较大，测量速度较慢，不适合用于便携式高速测量环境。
[0005]通过采用非接触式测量技术，可以弥补接触式技术的缺点。光栅投影技术就是一项热门的非接触式测量技术，通过将光栅投影到物体表面上，由于物体表面会造成光栅的形变，也就是利用物体表面特征调制光栅，采用图像采集设备捕获变形的光栅，解调后即可获得物体的表面信息。该技术测量速度快，精度高，能测量大尺度和复杂表面的物体形貌，是一项具有广阔市场前景的应用技术。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术中存在体积较大和测量速度较慢的缺陷，本发明提供一种便携式光栅投影三维面形测量系统，通过光栅投影法，采用以Intel Atom嵌入式开发平台为核心，DLP数字投影仪以及工业相机为外接设备，实现一个具有高精度、高速、非接触便携式三维面形测量系统。
[0007]其技术方案如下:
[0008]一种便携式光栅投影三维面形测量系统，采用Intel Atom系列处理器为核心的嵌入式板为开发平台，以Windows 8为开发系统，通过光栅投影法，利用C++语言、Qt和OpenCV库，通过编写数字光栅投影模块、图像捕获模块、相位计算模块、相位展开模块、三维形貌重建模块和参数设置模块，实现具有高精度的非接触式高速三维面形测量系统。
[0009]所述数字光栅投影模块用于生成光栅条纹图像。可以调整光栅调制频率和相位，从而将条纹图像通过投影仪投射到被测物体表面。
[0010]所述图像捕获模块用于采集形变光栅条纹。在数字光栅投影到物体表面后，光栅条纹会受到物体表面信息的调制，从而产生变形，通过工业摄像机可以捕获形变光栅条纹图像，并通过USB接口传送到嵌入式开发平台上。
[0011]所述相位计算模块用于计算捕获的数字条纹图像的相位分布。通过采集一系列投射到物体表面的光栅条纹图像，运用移相干涉算法，计算出干涉图的相位分布，从而得到反应被测物表面信息的折叠相位。
[0012]所述相位展开模块用于展开折叠相位。相位计算得到的是折叠相位，需要将其通过展开算法得到展开相位。同时，由于投影光栅具有调制频率，还需要解调，从而得到实际相位信息。
[0013]所述三维形貌重建模块用于生成被测物体表面三维形貌信息。解调后的展开相位对应了物体的表面信息，利用几何光学，可以计算出物体表面数据，通过三维图像生成算法可以重建被测物体的三维形貌。
[0014]所述参数设置模块用于设置各种系统参数，包括调制频率、条纹相位、图像分辨率、采集速度、相位计算和展开参数等。
[0015]—种便携式光栅投影三维面形测量方法，包括以下步骤:
[0016]步骤1.通过参数设置模块设置光栅调制频率和相位，由数字光栅投影模块生成光栅条纹图像，利用mini DLP投影仪将数字光栅条纹图像投射到被测物体表面。
[0017]步骤2.在数字光栅投影到物体表面后，光栅条纹会受到物体表面信息的调制，从而产生变形，通过工业摄像机捕获形变光栅条纹图像，并通过USB接口传送到嵌入式开发平台上。
[0018]步骤3.通过采集一系列投射到物体表面的光栅条纹图像，在相位计算模块运用移相干涉算法，计算出干涉图的相位分布，从而得到反应被测物表面信息的折叠相位。通过相位展开模块展开折叠相位，并根据调制频率进行解调操作。得到条纹相位与面形的关系。
[0019]步骤4.根据光栅投影法光路几何三角关系，计算出物体表面信息，通过三维形貌重建模块重建被测物体的三维形貌，并通过HDMI接口输出到显示屏上。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]1.非接触式测量
[0022]与接触式测量相比，本系统满足与被测物体非接触测量的需求，因此能够很好的保护所测物体，不会对被测物体造成任何伤害。除此之外，可通过调节投影仪的投影面积改变投影光栅场的大小，若采用高分辨率的高端投影仪，则可以增大测量范围，特别适用于体积庞大的文物的三维测量工作。
[0023]2.高效
[0024]利用高速的数字相机采集，捕获投影光栅图案，经过设计高性能的优化算法，完成图像采集、相位解调与展开、物体三维形貌的重建等工作。通过数字图像处理技术，实现频率可调的数字光栅，通过投影技术生成数字干涉条纹，从而保证高精度高测量。
[0025]3.操作方便
[0026]本发明是个完整的三维面形测量系统，集成了对图像的采集，干涉条纹的分析和处理，三维面形的重建，同时系统具有操作界面，能方便地进行测量工作。
[0027]4.便携式
[0028]系统使用采用以Intel Atom嵌入式开发平台为核心，mini DLP数字投影仪以及工业相机为外接设备，使用电池供电，系统总体体积小，具有便携式特点。
【附图说明】
[0029]图1为便携式光栅投影三维面形测量系统的原理图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0031]参照图1，一种便携式光栅投影三维面形测量系统，采用Intel Atom系列处理器为核心