专利名称：用二元编码模板产生正弦结构光场的方法
技术领域：
本发明涉及光学三维传感技术中产生空间结构光场的方法，特别是涉及用二元编码模板产生正弦结构光场的方法。
三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其非接触、精度高、易于自动控制等优点获得很大发展。现有的光学三维传感方法主要包括三角测量法、莫尔条纹法(MoiréTopography，简称MT)、付里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)、空间位相检测术(Spatial Phase Detection，简称SPD)、位相测量轮廓术(PhaseMeasuring Profilometry，简称PMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制，来获得三维物体面形高度信息。根据空间光场强度分布的不同，空间结构光场可以分为点状分布、线状分布、正弦分布三种。点状、线状分布的空间结构光场主要用于三角测量法，而正弦分布的空间结构照明光场广泛适用于位相测量轮廓术、付里叶变换轮廓术、空间位相检测术等。
正弦性的空间结构光场相当于调制中的载波，正弦空间结构光场其正弦性的好坏成为影响测量精度的一个关键因素(如V.Srinivasan,H.C.Liu andM.Halioua,Automated Phase-measuring Profilometry of 3-D Object Shape,Appl.Opt.1984,23:3105-3108)。因此，在位相测量轮廓术(PMP)、付里叶变换轮廓术(FT)、空间位相检测术(SPD)等三维传感技术中，如何产生高精度的正弦结构照明光场一直是三维传感领域中国内外普遍关注的问题。目前，产生正弦结构光场的主要方法有1．利用二个经扩束和准直的激光束产生干涉来获得正弦结构光场。这种方法的主要优点是具有很大的焦深，适合于大的深度测量范围和大角度掠入射测量，但是由于准直透镜口径限制了测量范围，激光产生的散斑噪声也不利于位相展开，从而影响测量精度。
2．采用白光投影正弦透过率光栅获得正弦结构光场。这种方法能实现较大范围内的结构照明，并且消除了散斑噪声。但是制作高精度的正弦透过率模板是相当困难的。
3．采用离焦投影罗奇光栅(Ronchi grating)，由离焦引起光学低通滤波在一定条件下得到准正弦光场(Xian-Yu Su,Wen-Sen Zhou,G.von Bally andD.Vukicevic,Optics Communication,1992,94:561-573，苏显渝，周文胜，光电工程，1993,4:9-16)。在实际使用中发现投影系统的离焦量需准确调节，而且光场正弦性的提高是以结构光场的对比度下降为代价来换取的，不利于测量精度的进一步提高。
本发明的目的则是针对上述现有技术中所存在的缺陷，提出一种采用二元编码模板产生正弦结构光场的方法。该方法通过对正弦结构光场的正弦性的改进，使三维传感技术中的位相测量轮廓术、付里叶变换轮廓术及空间位相检测术的测量精度得到进一步提高。
本发明的目的是由以下措施来实现的产生正弦结构光场的二元编码模板设计方法包括误差扩散和二元面积调制方法。二元编码模板的透过率只有二种状态(明暗状态)，经光学成像系统(例如投影器)成像后，在象方形成正弦强度分布的照明光场，与正弦光栅成像后形成的光场具有相同的光学特征。误差扩散方法可分为一维误差扩散和二维误差扩散。一维误差扩散是将由于二值化产生的量化误差在一维方向(行方向)上向后一个元素进行扩散，二维误差扩散则是把二值化产生的量化误差在二维方向(行方向和列方向)同时向其周边元素进行扩散。二元面积调制方法是利用微结构中足够多的矩孔来逼近正弦透过率，矩孔的高度与该处的正弦透过率成正比。本发明的要点还在于，运用微细制作技术(如大规模集成电路技术)制作的二元编码正弦模板，，经光学成像系统成像后，利用光学系统固有的低通滤波作用将模板的二元分布转化为测量区域的正弦结构分布，并滤去量化噪声，从而获得高质量的正弦光场。
图1为一维误差扩散方法示意2为一维误差扩散正弦模板设计图(局部放大)图3为二维误差扩散方法示意4为二维误差扩散正弦模板设计图(局部放大)图5为二元面积调制正弦模板设计图(局部放大)图6为经滤波后的光场分布图7为位相测量轮廓术方法(PMP)投影光路8为经二维探测器阵列接收的二元面积调制模板的像图9(a)为中心行方向位相误差，图9(b)为中心列方向位相误差下面结合附图、工作原理及实施例对本发明做进一步详细说明一维误差扩散即是对于待编码正弦光场模板f(m),m∈{1,2,…,M}进行行方向的量化误差扩散，误差扩散后得到的修正光场是fe(m),e(m)为第m个元素的扩散误差。
fc(m)=f(m)+e(m-1)(1)其中e(m)=fc(m)-b(m)(2) b(m)是误差扩散后得到的二元编码模板，M是在行方向的采样个数。t(m)是域值函数，一般t(m)=0.5。从(1)式有fc(m)=Σi=1mf(i)-Σi=1m-1step[fc(i)-t(i)]---(4)]]>从上式可以看出误差扩散是由第一点向后逐点进行。这一过程可用图1加以说明。第一个元素的透过率小于0.5，被二值化为0，其剩余误差(+)加入第二个元素。由于第二个元素原有透过率加上第一个元素转移的误差之和大于域值0.5，因此被二值化为1，累积的误差(一)加到第三个元素上，虽然第三个元素原有的透过率大于0.5，但合并前面转移的误差后，其和小于0.5，因此被二值化为0，余此类推。图1(a)中圆点表示抽样点上的透过率，箭头表示误差是如何传递到相邻元素的。图1(b)是二值化后的抽样点透过率。
图2中，亮线表示一维误差扩散模板的透光部分，暗线表示模板的遮光部分。亮线和暗线分布密度随正弦模板的透过率而变化，透过率较高的地方，亮线排列密集，透过率较低的地方，暗线排列紧密。整个模板是由只有二种透过率状态(明暗状态)的条纹排列而成，由于一维误差扩散的结果，使得代表量化噪声的高频分量得到了有效的抑制。而这种经抑制的量化噪声高频分量经光学系统的低通滤波作用后，可以进一步被滤除，从而保证了光场的正弦性。
一维误差扩散方法只将量化误差在行方向进行扩散，造成空间频谱信噪比较低，频域低通滤波器不能有效消除噪声干扰。为了进一步改善滤波后的光场质量，有必要对二元模板进行二维误差扩散，即把量化误差在行方向和列方向同时进行扩散。将一维误差扩散中的(1)式改为fc(m,n)=f(m,n)+Σ(m′,n′)∈Ωd(m′,n′)e(m-m′,n-n′)---(5)]]>其中m∈{1,2,…,M},n∈{1,2,…,N},M、N分别是在行方向、列方向的采样个数。误差扩散的分配系数由d(m′,n′)表示，对于已处理的元素d(m′,n′)=0，未处理的元素d(m′,n′)≠0,Ω代表由d(m,n,)≠0的元素组成的扩散区域。扩散误差和二元化过程仍按(2)式、(3)式计算。图3表明了二维误差扩散的原理。图中“·”表示已处理过的元素，“×”表示未处理过的元素。每一个元素二元化后的误差向它相邻的未处理的领域扩散。
图4中，二维误差扩散模板的第一行明暗分布与一维误差扩散模板相同，随着量化误差的纵向传递，明暗分布逐渐随机化。由于量化误差在行和列方向同时扩散，使得代表量化噪声的高频分量得到了比一维误差扩散更有效的抑制，空间频谱信噪比提高。而这种经抑制的量化噪声高频分量经光学系统的低通滤波作用后，可以进一步被滤除，从而保证了光场的正弦性。
二元面积调制方法的基本思想是用足够多的矩孔来逼近正弦透过率。整个二元面积调制模板由许多微结构重叠排列而成，微结构的横向尺度Pr等于模板的栅距p，纵向尺度Py根据光学测量系统的参数来设计，一般说来Py＜＜Px。在每个微结构内，采用一系列宽度为δx的矩孔沿x方向来逼近正弦透过率f(x,y)，整个微结构含矩孔的数目为N=pxδx]]>。如果矩孔宽度δx越小，矩孔数量N越大，一系列矩孔所代表的透过率就越接近正弦透过率f(x,y)。
图5给出了二元面积调制正弦模板的设计图(局部放大)，图5中亮的部分表示模板的透光部分，暗的部分为遮光部分。亮部和暗部分布密度随正弦模板的透过率而变化。在二元面积调制正弦模板的空间频谱中，存在着代表正弦光场特征的零频分量、基频分量和代表量化噪声的高频分量。通过结构设计，y方向的频谱可被光学系统的低通滤波作用有效滤去。因此，这种二元模板经低通滤波后，将产生高质量的正弦结构光场。
二元编码正弦模板经三维面形测量系统中的光学成像系统(例如投影器)成像后，在象方形成正弦强度分布的照明光场，与正弦光栅成像后形成的光场具有相同的光学特征。在三维面形测量系统中，整个光学系统可简化为频域低通滤波器。对于更一般的情况，必须考虑投影和成像光学系统的影响，例如衍射受限、离焦、像差等，但整个光学系统仍然等效成为一个低通滤波器。
图6是图5的二元面积调制模板产生的光场经一个低通滤波器后得到的光场强度分布，可以看出此时的光场已经是正弦结构光场。
利用微细制作技术(如大规模集成电路技术)可以制作二元编码正弦模板。二元编码正弦模板的精度是由微细制作技术所保证的。随着微细制作技术所能提供的最小分辨率的不断提高，我们可以获得更加精确的二元编码正弦模板。
下面给出了二元面积调制正弦光场模板应用于位相测量轮廓术(PMP)的一个实例位相测量轮廓术(PMP)的原理如图7，P2和P1是投影系统的入瞳和出瞳中心，I2和I1是图象接收系统的入瞳和出瞳中心。当投影器1将周期为p的正弦光栅模板2投射到置于参考平面4上的待测三维物体3表面，二维探测器阵列5接收到的变形条纹可以表示为I(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos[2πp+φ(x,y)]---(7)]]>其中A(x,y)表示背景光强，B(x,y)/A(x,y)是条纹对比度。位相函数φ(x,y)包含了物体表面高度的信息Z=h(x,y)。通过投射N次正弦光栅(N＞3)，每次相移1/N个条纹周期，φ(x,y)能够独立于A(x,y)和B(x,y)用离散相移算法解出φ(x,y)=arctanΣn=1NIn(x,y)sin(2πn/N)Σn=1NIn(x,y)cos(2πn/N)---(8)]]>由公式(8)计算出的截断位相分布φ(x,y)，必须通过位相展开恢复成原有的位相分布。由位相映射算法可以确定物体的高度h(x,y)=AC(L/d)1+AC/d---(9)]]>在大多数情况下，d＞＞AC，可将上式化为h(x,y)=AC·Ld=p0tgθδφ2π=λeδφ2π---(10)]]>其中，λe=p0tgθ]]>为等效波长。尽管测量系统的照明方式可以分为平行照明和发散照明，但均可通过对位相的测量而计算出被测物体的高度。在一个实际测量系统中，光场非正弦性所导致的位相计算误差将通过公式(10)描述的等效波长的关系转化为高度误差。
我们设计并利用大规模集成电路技术制作成功二元面积调制正弦模板，在位相测量轮廓术(PMP)系统中的应用结果表明，正弦模板具有很高的精度。实验中二元面积调制模板安装于步进电机驱动的工作台上，由计算机控制进行离散位相移动。成像系统是一个二维探测器阵列，变形光栅像被转换成数字图象存储在计算机中。通过记录N帧，2π/N相移的变形光栅像，就可以计算出相应的被测物体高度。实验中系统参数取L=550mm,d=120mm,p=6mm,N=5，二维探测器阵列接收的二元面积调制面积模板像如图8所示。图9(a)、(b)分别给出了沿二维探测器阵列中心行和中心列方向的位相计算误差。实验结果表明位相误差为σ=0.0556，该误差体现了整个位相测量轮廓术(PMP)系统的综合误差，表明系统精度达到1％等效波长以内的很高的测量精度。
本发明与现有技术相比有如下优点1．本发明使用白光来产生正弦结构光场，不存在散斑噪声，可以实现较大范围的三维传感测量。
2．本发明采用二元编码模板来产生的正弦结构光场用于三维传感测量中，在不牺牲对比度的前提下，提高了结构光场的正弦性，从而提高了测量精度。
3．本发明运用微细制作技术来制作的二元编码模板，易于精密复制。
4．本发明采用的二元编码模板在使用中，无需对三维传感光学系统进行调整，使用方便。
权利要求
1．一种适用于三维传感测量中产生正弦结构光场的方法，其特征在于产生正弦结构光场的二元编码模板只有二种光学透过率的状态(明暗状态)，经光学成像系统成像后，在象方形成正弦强度分布的照明光场，与正弦光栅成像后形成的光场具有相同的光学特征，产生这种二元编码模板的方法包括一维误差扩散、二维误差扩散和二元面积调制方法。
2．按照权利要求1所述的产生二元编码正弦模板的方法，其特征在于一维误差扩散方法是将量化误差在一维方向(行方向)上向后一个元素扩散；二维误差扩散方法，将量化误差在二维方向(行方向和列方向)上向其周边元素扩散；二元面积调制方法，是利用微结构中足够多的矩孔来逼近正弦透过率，矩孔的高度与该处的正弦透过率成正比。
3．按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于运用微细制作技术制作的二元编码正弦模板，经光学成像系统成像后，利用光学系统固有的低通滤波作用将模板的二元分布转化为测量区域的正弦结构分布，并滤去量化噪声，从而获得高质量的正弦光场。
全文摘要
本发明是三维传感技术中用二元编码模板产生正弦结构光场的方法,包括一维误差扩散、二维误差扩散及二元面积调制方法。一维误差扩散和二维误差扩散分别是将量化误差在行方向上或行和列方向上进行扩散;二元面积调制方法是利用微结构中足够多的矩孔来逼近正弦透过率。运用微细制作技术制作的二元编码正弦模板,经光学成像系统成像后,利用系统固有的低通滤波作用产生测量区域的正弦结构分布,并滤去量化噪声,从而获得高质量的正弦光场,以提高三维面型测量的精度。
文档编号G01B11/00GK1323978SQ0011294
公开日2001年11月28日 申请日期2000年5月17日 优先权日2000年5月17日
发明者苏显渝, 羡涛, 向立群 申请人:四川大学