一种光学三维形貌测量方法
【专利摘要】一种光学三维形貌测量方法，先按照实际测量要求，布置好由投影系统、相机组成的测量系统；然后根据测量需要设计条纹图并由投影系统投影到被测物体表面，被物体反射的条纹图由相机采样；再从采样条纹图解调出包裹相位，解包裹后得到条纹图的真实相位值；然后由远心镜头的放大率、相机像元大小及采样条纹图的图像坐标求解得到被测物体X、Y轴坐标；最后标定得到投影系统的相关参数，结合条纹相位，根据三角关系求得被测物体Z轴的坐标；本发明标定过程简单，既提高了三维坐标的求解速度又能达到更高的测量精度；一次标定即可保证之后所有测量的使用，效率很高。
【专利说明】
-种光学H维形貌测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于=维测量技术领域，具体设及一种光学=维形貌测量方法。
【背景技术】
[0002] S维测量在快速成型、质量检测中有着广泛的需求。同时，它在逆向工程、医疗等 领域也有着广泛应用。传统的=维测量方法主要是接触式测量，如=坐标测量机。随着光学 技术的进步，光学=维测量技术得到了长足的发展，被越来越广泛地应用到=维测量中。典 型的光学=维测量方法有点激光扫描测量、线激光扫描测量、结构光投影测量及干设测量 等。其中，基于正弦条纹投影的结构光投影=维测量方法，由于操作便捷、测量精度较高、测 量速度快、适应性好等优点，是一种非常优越的=维测量手段。
[0003] 正弦条纹投影=维测量轮廓术需要投影正弦条纹到被测物体表面，反射的条纹图 像被相机采样得到，求解采样条纹相位后，结合标定得到的测量系统参数，即可由相位恢复 被测物体的=维形貌。现有的正弦条纹投影=维测量轮廓术具有W下特点：投影的正弦条 纹图的相位在整个图像平面内沿某一方向呈线性变化;在由单相机-单投影仪构成的测量 系统中，相位到被测物体=维形貌的转化总会用到由投影光线与相机采样光线之间构成的 =角关系，很多情况下需要一个参考面，=维求解过程复杂。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学=维形貌测量方 法，使得=维形貌求解过程简化，X、Y坐标的求解速度及精度得到提高，标定过程简单，最终 得到更高的测量精度，而且能够在一次系统标定后即可保证之后所有测量的使用，提高测 量效率。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] -种光学=维形貌测量方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1:按照实际测量要求，布置好由投影系统、相机组成的测量系统；
[000引步骤2:根据测量需要设计投影条纹图并由投影系统投影到被测物体表面；
[0009] 步骤3:被物体反射的条纹图由相机采样；
[0010] 步骤4:从采样条纹图解调出包裹相位，解包裹后得到条纹图的真实相位值；
[0011] 步骤5:由远屯、镜头的放大倍率、相机像元大小及采样条纹图的图像坐标求解得到 被测物体X、Y轴坐标；
[0012] 步骤6:标定得到投影系统的相关参数，结合条纹相位，根据=角关系得到被测物 体Z轴的坐标。
[0013] 所述的步骤1中的投影系统是数字投影仪，或是点光源与光栅、光掩膜版组成的投 影系统，其投影图像在量程内要能够覆盖被测对象但不能过多地超过被测对象，而且投影 光轴与相机光轴需要保持平行。
[0014] 所述的步骤1中的相机配有远屯、镜头，远屯、镜头的参数根据实际测量需求选用。
[0015] 所述的步骤2中的投影条纹图，其灰度值分布需要满足：
[0016] f(xp,yp)=a+b cos(23t ? r(Xp,yp)/R) (I)
[0017]其中，（xp，yp)表示投影条纹图像素坐标，a表示条纹背景项，b表示条纹幅值，R为W 像素距离表示的条纹周期，且
[001引
鮮
[0019]其中，（Xp日，yp日读示投影阵列与投影系统光轴的交点，初步认为该点是投影阵列 的几何中屯、。
[0020] 所述的步骤4中的相位解调采用经典相位解调方法，相位解包裹采用经典相位解 包裹方法。
[0021] 所沐的巧驢5中被测物体X、Y轴坐标采用如下公式求得：
[0022]
(3)
[0023] 其中：（Xe,yc)为采样图像坐标，0为远屯、镜头放大倍率，S为相机像元尺寸。
[0024] 所沐的击驢fi中献娜I物化Z业标的求解公式为：
[0025]
(4)
[0026] 其中，P为投影系统参数，? (Xe,ye)为采样图像点（Xe,ye)的相位值，d(xc，yc)为采 样图像上点(xc，y。)与零相位点间的空间距离，通过如下公式计算：
[0027；
(5)
[0028] 其中，（Xc〇，yc〇)为采样条纹阁零相位点的像素坐标。
[0029] 与传统的正弦条纹投影=维测量轮廓术相比，本发明具有W下有益效果:不需要 对相机进行标定;被测物体X、Y坐标求解较传统方法有非常大的简化，既极大提高了 X、Y坐 标的求解速度也能保证求解精度;被测物体Z坐标的求解中设及的标定参量少，标定过程简 单，测量误差来源少，能够达到更高的测量精度；当投影仪的焦距确定后，一次标定即可保 证之后所有测量的使用，效率极高。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明方法采用的一种测量系统结构示意图。
[0031] 图2为本发明方法原理图。
[0032] 图3为本发明中所使用的条纹图。
[0033] 图4为模拟图3条纹图投影到待测球形表面采样得到的条纹图。
[0034] 图5为图4条纹图的解调相位图。
[0035] 图6为图4条纹图的解包裹相位图。
[0036] 图7为采用本发明方法恢复得到的被测物体=维形貌。
[0037] 图8为图7处理后的S维形貌图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0039] -种光学=维形貌测量方法，包括W下步骤：
[0040] 步骤1:按照实际测量要求，布置好由投影系统、配有远屯、镜头的相机组成的测量 系统，参照图1，测量系统中投影系统光轴与相机光轴通过光路设计等效共线，在实际使用 中，投影系统光轴与相机光轴不必共线，测量原理如图2所示，其中，ON为投影系统光轴，点B 为投影系统光轴与投影像元阵列间的交点，从光源0发射的光经由A处的投影像元投影照射 到被测物体上的点M，MN为垂直于投影光轴的线段，点N为一虚拟点，在实际中不必求得，图2 中还标示了 S维重建中所使用的Z坐标，设M点在采样图像上的坐标值为(xc，y。），线段MN的 长度为d(XE，y。），在图示的定义下，点M的Z坐标为
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 呈：
[0047]
[0048] 步骤2:根据测量需要设计投影条纹图并由投影系统投影到被测物体表面，所用到 的投影条纹图参照图3,与传统的正弦条纹图不同的是，它的相位并非在整个图像平面内沿 特定方向线性变化，而是W图像中屯、为中屯、向外线性福射，因而看上去像是一组明暗相间 的圆环，图示条纹的周期为10像素，利用投影系统将该条纹投影到被测物体表面；
[0049] 步骤3:被物体反射的条纹图由配有远屯、镜头的相机采样，参照图4,图4为模拟采 样得到的条纹图；
[0050] 步骤4:由采样条纹相位图利用四步相移法解调得到图4所示条纹图的包裹相位， 如图5所示，采用多频解包裹技术对图5所示的包裹相位解包裹，解包裹相位如图6所示，设 其值为?(XE，y。）；
[0051] 步骤5:由远屯、镜头的放大率、相机像元大小及采样条纹图的图像坐标求解得到被 测物体X、Y轴坐标，设远屯、镜头放大倍率为0 = 0.1，相机像元尺寸S = 0.00 5mm，那么采样点M 对应的横向坐标可W很容易地求得：
[0化2]
[0化3] 那么有
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[005引最终求解得到的模拟被测物体=维形貌如图7所示。为了更清楚地看到被测物体 的=维形貌，用模拟被测物体的最大高度1990减去图7中的数据，此时绘制得到的被测物体 =维形貌为图8所示，可见，本发明能够非常便捷地实现对被测对象=维轮廓的测量。
[0059] W上所述仅为本发明的一个实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明基础上所 做的任何修改、等同替换及拓展等，均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种光学三维形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:按照实际测量要求，布置好由投影系统、相机组成的测量系统； 步骤2:根据测量需要设计投影条纹图并由投影系统投影到被测物体表面； 步骤3:被物体反射的条纹图由相机采样； 步骤4:从采样条纹图解调出包裹相位，解包裹后得到条纹图的真实相位值； 步骤5:由远心镜头的放大倍率、相机像元大小及采样条纹图的图像坐标求解得到被测 物体χ、γ轴坐标； 步骤6:标定得到投影系统的相关参数，结合条纹相位，根据三角关系求得被测物体Ζ轴 的坐标。2. 根据权利要求1所述的一种光学三维形貌测量方法，其特征在于:所述的步骤1中的 投影系统是数字投影仪，或是点光源与光栅、光掩膜版组成的投影系统，其投影图像在量程 内要能够覆盖被测对象但不能过多地超过被测对象，而且投影光轴与相机光轴需要保持平 行。3. 根据权利要求1所述的一种光学三维形貌测量方法，其特征在于:所述的步骤1中的 相机配有远心镜头，远心镜头的参数根据实际测量需求选用。4. 根据权利要求1所述的一种光学三维形貌测量方法，其特征在于:所述的步骤2中的 投影条纹图，其灰度值分布需要满足： f(xp,yp)=a+bcos(23i · r(xP,yP)/R) (1) 其中，（xP，yP)表示投影条纹图像素坐标，a表示条纹背景项，b表示条纹幅值，R为以像素 距离表示的条纹周期，且(2) 其中，（XpQ，ypQ)表示投影阵列与投影系统光轴的交点，初步认为该点是投影阵列的几何 中心。5. 根据权利要求1所述的一种光学三维形貌测量方法，其特征在于:所述的步骤5中被 测物体X、Y轴坐标采用如下公式求得：(3) 其中：（υ。)为采样图像坐标，s为相机像元尺寸，β为远心镜头放大倍率。6. 根据权利要求1所述的一种光学三维形貌测量方法，其特征在于:所述的步骤6中被 测物体Ζ坐标的求解公式为(4) 其中，Ρ为投影系统参数，Φ(υ。)为采样图像点U，y。)的相位值，d(Xc；，y。)为采样图 像上点(X。，y。)与零相位点间的空间距离，通过如下公式计算： (5)
【文档编号】G01B11/25GK105953749SQ201610451777
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】赵宏, 张春伟
【申请人】西安交通大学