一种非均匀条纹分段生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种非均匀条纹分段生成方法，该方法在倾斜投影系统中能够在参考平面上得到周期均匀的条纹。将该方法进一步改进以适用于双频投影，解决使用分段非均匀双频条纹相位展开不连续现象。本发明具体实现方法是，在硬件基础上，通过计算机软件按照本发明设计的非均匀条纹分段生成方法进行编程，得到系统所需要的分段非均匀条纹图形，由投影到参考平面上得到均匀条纹，提高三维测量的精度。将非均匀条纹分段生成方法应用到双频投影中时，会造成相位展开不连续的现象，因此又进一步提出了半级数移动法解决这一问题，使得非均匀条纹分段生成方法的使用范围得到了推广。
【专利说明】一种非均匀条纹分段生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器视觉【技术领域】相位测量轮廓术，具体为利用计算机编程得到多幅 相移条纹，由投影仪分别向参考平面和被测物体投影这些条纹，由CCD相机拍摄条纹图案， 由计算机先后计算得到截断相位和展开相位，最后由计算机按照一定的算法计算得到物体 的三维形貌技术。本发明主要涉及其中的计算机编程得到相移条纹，尤其涉及投影仪倾斜 投影，CCD相机垂直拍摄的精密测量系统中所需要的条纹。
【背景技术】
[0002] 在机器视觉领域，结构光测量法作为主要的三维立体视觉测量方法，在工业检测、 逆向工程、快速原型模具、医学、文物保护等方面得到了广泛的发展。在传统的光栅投影三 维测量技术中，通常采用倾斜投影、垂直摄像的系统模型。
[0003] 现有的三维成像系统投影均匀条纹，由于相机和投影仪的光轴不平行，因此投影 均匀条纹时，在与成像光轴垂直的平面上得到的是非均匀条纹。郝煜栋等人分析了光栅 投影三维测量中的投影条纹误差，对投影的条纹采用二次方程进行近似，从而减小误差。 David Towers等人将非均匀条纹应用到摄像机标定以及三维测量的四步相移法，以虚拟平 面作为桥梁，建立虚拟平面和投影仪投影面之间条纹周期的对应关系，投影到参考平面上 获得均匀条纹，使得被测物体深度和相位之间的关系与像素位置无关，但是这种方法需要 精确移动的平板来确定方法中必要的参数，操作过程复杂。罗茜更简明的阐述了非均匀条 纹的生成原理以及减小的测量误差，但是只分析了投影仪光轴与参考平面交点向CCD相机 一侧的误差及非均匀条纹生成原理，并将其应用到了所有的条纹生成中，使得另外一侧条 纹的周期误差更大。伏燕军等将条纹周期校正方法应用到了复杂大物体三维测量中，与五 步相移法以及时间相位展开方法结合，条纹图像满足Φ (X") = 2 π fF(L，d，N，X")，其中L， d，x"与本发明含义一致，N表示投影仪投影放大倍数，但并未按照分段理论生成非均匀条 纹，也未解决相位展开过程中相位不连续的问题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种非均匀条纹分段生 成方法，该方法具有设计简单，使用方便，适用范围广等特点。
[0005] 本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种非均匀条纹分段生成方法，其 特征在于该方法用于采用空域相位展开方法时的投影正弦光栅条纹的三维测量系统中，包 括以下步骤：
[0006] 1).首先，搭建三维测量系统：实现CCD相机的光轴垂直于参考平面；投影仪投影 光轴和相机光轴共面，且相交于参考平面；投影仪出瞳距离和相机入瞳距离与参考平面的 垂直距离相等；
[0007] 2).其次，标定三维测量系统：确定投影仪光心和相机光心与参考平面之间的垂 直距离L以及二者之间的水平距离d ;
[0010]
[0008] 3).再次，确定投影条纹图像的横向分辨率Μ及条纹频率f ;[0009] 4).然后，通过计算机按照下述（a)、（b)公式计算，
【权利要求】
1. 一种非均匀条纹分段生成方法，其特征在于该方法用于采用空域相位展开方法时的 投影正弦光栅条纹的三维测量系统中，包括以下步骤： 1) .首先，搭建三维测量系统：实现CCD相机的光轴垂直于参考平面；投影仪投影光轴 和相机光轴共面，且相交于参考平面；投影仪出瞳距离和相机入瞳距离与参考平面的垂直 距离相等； 2) .其次，标定三维测量系统：确定投影仪光心和相机光心与参考平面之间的垂直距 离L以及二者之间的水平距离d ; 3) .再次，确定投影条纹图像的横向分辨率Μ及条纹频率f ; 4) .然后，通过计算机按照下述（a)、（b)公式计算，
得到η组相位差为2 π /n的像素与相位之间的分段关系，其中X"表示投影图案上某一 点的横向像素坐标，F(M，L，d，X")是与M，L，d，X"相关的分段函数； 5) .最后，通过下述（c)式将相位转化为图像像素的灰度，从而得到灰度按照正弦变化 的η幅分段非均匀条纹相移图；
2. -种非均匀条纹分段生成方法，其特征在于该方法用于采用双频相位展开法时的投 影正弦光栅条纹的三维测量系统中，包括以下步骤： 1) .首先，搭建三维测量系统系统：实现CCD相机的光轴垂直于参考平面；投影仪投影 光轴和相机光轴共面，且相交于参考平面；投影仪出瞳距离和相机入瞳距离与参考平面的 垂直距离相等； 2) .其次，标定三维测量系统：确定投影仪光心和相机光心与参考平面之间的垂直距 离L以及二者之间的水平距离d ; 3) .再次，确定投影条纹图像的横向分辨率M，根据多频外差原理公式（d)确定条纹频 率和f2，其中Pi和P 2分别为所述频率和f2对应的条纹周期，P = 1/f，W为条纹图案 横向总像素数，α =arctan(d/L)为投影仪光轴和相机光轴夹角；
4) .然后，将频率4和&分别代入公式（a)中，得到两组图像像素和相位之间的分段 函数关系，其中X"表示投影图案上某一点的横向像素坐标，F (M，L，d，x〃）是与M，L，d，X"相 关的分段函数； 5) .最后，再通过下述公式（e)或（f)，即
得到2η组相位差为2 π /n的像素与相位之间的分段关系；其中，K取1，表示条纹移动 级数；进而通过（g)式，即
将相位转化为灰度按正弦规律变化图形，得到频率为fj的η幅灰度按正弦规律变化的 条纹图；Κ取1时，使用空域相位展开方法对所得条纹图进行相位展开，判断相位展开结果 是否连续；如果不连续使Κ = Κ+1，直至相位展开结果连续。
3. 根据权利要求1所述的非均匀条纹分段生成方法，其特征在于该方法对条纹进行半 级数移动后，应用于双频解相位展开方法中，或者继续扩展，应用到多频解相位方法中。
4. 根据权利要求2所述的非均匀条纹分段生成方法，其特征在于该方法应用于三维测 量系统中的生成条纹。
【文档编号】G01B11/25GK104154879SQ201410404594
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】戴士杰, 易丹, 李伟超 申请人:河北工业大学