一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域。尤其涉及一种基于 脉冲宽度调制条纹的三维测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的交叉式和多融合式发展，基于光学、电学、图像处理和计算机视觉 的三维测量方法已成为更具有广阔应用前景的工业无损检测方法。该方法构成的结构光三 维测量系统因高速、高精度、非接触、全场测量、快速信息获取等优点，已广泛应用于工业制 造、文物保护、医疗等诸多领域，在工业生产和日常生活中发挥着重要作用。为满足生产生 活的快速节奏，三维测量速度成为衡量测量系统的重要指标；同时，随着科技的迅猛发展， 生产高级、精密、尖端的产品成为必然，对三维测量设备的测量精度提出更高要求。因此，人 们对基于结构光的三维测量系统所获得的产品三维数据，不仅需要测量速度快，而且测量 精度也要高。
[0003] 然而，影响这两者的因素却有很多，包括条纹的特征(类型，强度，正弦性，周期性 等)、电子设备的属性(设备质量，非线性效应等)，相位解包裹方法等。在条纹类型方面，由 于传统的正弦条纹，为8位的灰度图片，其灰度值分布在0-255之间，投影速度限制在120HZ 之内，制约了测量速度；在电子设备属性方面，由于现如今的三维测量系统，都是由DLP投 影带特征信息的条纹，因此，由电子设备的非线性ga_a效应引起的高次谐波而导致的测 量误差是一个不可避免的问题。本发明的脉冲宽度调制条纹，是二进制条纹，只有两个灰度 值，其投影速度可以达到10KZH，大大提高测量速度；本发明的脉冲宽度调制条纹，只要轻 微离焦，就能克服投影仪的gamma非线性，有效减少了相位误差，提高测量精度。本发明就 是基于以上思路产生的。
[0004] 本发明的三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪I、（XD2、工作站3、测量支架 4、参考平面5和待测物体6 ;DLP投影仪1和CCD2放在测量支架4上；DLP投影仪1、CCD2 分别通过数据线连接工作站3 ;待测物体6放在参考平面5上；工作站3内包含图像采集卡、 投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体6表面，由 (XD2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。 DLP投影仪1光轴和(XD2光轴相交于0点。DLP投影仪1和(XD2为同一高度，它们之间的 距离为4它们到参考平面的距离为Λ。被测物体6的高度计算公式为：
(1) 其中为参考平面上生成的正弦条纹的频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的 连续相位差。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，由脉冲条纹的编码、 脉冲条纹的离焦、及三维重建三大关键部分组成，其特征是：脉冲条纹编码原理：由电脑生 成理想的一个周期正弦波，频率为fs;同时，在同一周期内生成一组梯形波，频率记为f t;将 这两种波型进行判断比较，生成一个二值的脉冲宽度调制波；将一个周期的脉冲宽度调制 波进行多周期复制；最后，将一维波转换为二维脉冲条纹图。
[0006] 本发明所述一个周期内，正弦波和梯形波的频率比为：fs:ft=l: 10。
[0007] 本发明所述一个周期内的梯形波，其占空比即正脉冲与脉冲总周期之比为0. 1。
[0008] 本发明所述正弦波和梯形波两种波形比较时的取值方式，当正弦波小于梯形波 时，取1 ;当正弦波大于梯形波时，取0。
[0009] 本发明所述将一维脉冲宽度调制波转换为二维脉冲条纹图，是指一维脉冲波在编 程上按行进行周期性复制。
[0010] 本发明的优点：（1)由于脉冲条纹是二值条纹，其灰度值只有两个值（0和1)，故测 量速度快。（2)由于投影仪只需轻微离焦，就能消除投影仪的非线性gamma，故不需要复杂 的非线性标定就能减小相位误差。（3)由于脉冲条纹被轻微离焦之后，条纹对比度降低较 少，故克服测量深度的问题。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的三维测量系统示意图。
[0012] 图2为本发明的单周期脉冲波产生原理图。
[0013] 图3为本发明的单周期脉冲条纹图。
[0014] 图4为本发明的12个周期脉冲条纹图。
[0015] 图5为本发明的12个周期脉冲条纹离焦图。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限 制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0017] 基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，包括以下步骤： (1)脉冲条纹的编码。
[0018] a.由电脑生成一个具有四步相移功能的理想正弦波：
其中，T为周期数，y为正弦波的像素，s为步长，m为相移步数（=1，2, 3, 4)。如图2 (a) 中红线所示，周期数为1、相移步数为1的相移正弦波，频率记为fs。
[0019] b.在同一周期内生成一组梯形波，其一个梯形波中各段像素的分配如下：
(3) 其中，占空比^ (正脉冲与脉冲总周期之比）设置为〇. 1，P为一个梯形周期总像素数。
[0020] 将一个梯形波进行列复制，形成一组梯形波，频率记为ft (ft=10fs)，其强度为： CN 105157612 A VL 3/3 贝
(4) 如图2(a)中绿线所示。
[0021] c.将这两种波型按下式进行判断比较，生成一个二值的脉冲宽度调制波，其强度 为：
(5) 如图2 (b)中蓝线所示，为一个周期的脉冲宽度调制波。
[0022] d.将一个周期的脉冲宽度调制波按列方向进行多周期复制：
(6) 这里，η为自定义复制的列数。
[0023] e.最后，将一维波转换为二维脉冲条纹图：
(7) 这里，η为自定义复制的行数。
[0024] 如图3,是一个周期的脉冲条纹。对于四步相移的脉冲条纹，只需将正弦波按上述 方法相移，梯形波不需相移，即能生成所需的脉冲条纹。
[0025] (2)脉冲条纹的离焦。如图4,将13个周期的脉冲条纹经投影仪投射到参考面上， 对脉冲条纹进行适度离焦，用CCD采集条纹并进行频率谱及正弦性分析，判断离焦恰当度。 如图5,在脉冲条纹适当离焦后，进行被参考面和物体调制的变形条纹拍摄，并传送至计算 机中。
[0026] (3)在计算机中进行三维重建。对参考面上的条纹而言，由脉冲条纹得到截断相位 ||，由相位解包裹算法得到参考面连续相位￡1 ;对物体上的变形条纹而言，由脉冲条纹得 至_断相位_，由相位解包裹算法得到物体连续相位濟；通过以下公式：
(8) 得到连续相位差，从而利用相位-高度公式：
(1) 最后得到物体表面每一点的高度信息。
【主权项】
1. 一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，由脉冲条纹的编码、脉冲条纹的离焦、 及三维重建三大关键部分组成，其特征是：脉冲条纹编码原理：由电脑生成一个周期的标 准正弦波，频率记为f s;同时，在同一周期内生成一组梯形波，频率记为f t;将这两种波型进 行判断比较，生成一个二值的脉冲宽度调制波；将一个周期的脉冲宽度调制波进行多周期 复制；最后，将一维脉冲宽度调制波转换为二维脉冲条纹图。2. 根据权利要求1所述的一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，其特征在于： 一个周期内，正弦波和梯形波的频率比为：fs: ft=l: 10。3. 根据权利要求1所述的一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，其特征在于： 一个周期内的梯形波，其占空比即正脉冲与脉冲总周期之比为〇. 1。4. 根据权利要求1所述的一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，其特征在于： 正弦波和梯形波两种波形比较时的取值方式，当正弦波小于梯形波时，取1 ;当正弦波大于 梯形波时，取0。5. 根据权利要求1所述的一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，其特征在于： 将一维脉冲宽度调制波转换为二维脉冲条纹图，是指一维脉冲波在编程上按行进行周期性 复制。
【专利摘要】本发明公开了一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，由脉冲条纹的编码、脉冲条纹的离焦、及三维重建三大关键部分组成。从电脑中生成脉冲条纹，经过投影仪进行适度离焦，在参考面上生成正弦条纹，进行三维测量。本发明的优点是：（1）由于脉冲条纹是二值条纹，其灰度值只有两个值（0和1），故测量速度快。（2）由于投影仪只需轻微离焦，就能消除投影仪的非线性gamma，故不需要复杂的非线性标定就能减小相位误差。（3）由于脉冲条纹被轻微离焦之后，条纹对比度降低较少，故克服测量深度的问题。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN105157612
【申请号】CN201510252609
【发明人】伏燕军, 李彪, 曾灼环
【申请人】南昌航空大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年5月19日