一种基于智能手机的便携式三维形貌测量系统的制作方法

本发明属于三维测量工程技术领域，尤其涉及一种基于智能手机的便携式三维形貌测量系统，

背景技术：

在日常生活中，特别是工业生产中，经常需要对制造产品进行三维形貌(面形)测量，获取其精确的三维数据信息，由于生产生活的大量需求，以及其非接触、高速、精度高、自动化程度高，便于实时测量等特点，光学三维传感技术已经成为信息光学的主要研究方向之一，也广泛地被运用于复杂物体的三维形貌测量。随着技术的发展和民众在日常生活中对物体三维形貌数据的需求增长，一些三维形貌测量技术已经进入商用阶段，但大都是作为专业的测量仪器并不能为大众所普及，且需借助电脑进行计算以及数据分析，并且成本太高，不适合于大众化的便携式测量。如微软公司开发的Kinect Xbox可以独立追踪物体的运动轨迹，但不能准确恢复每个时刻物体形貌信息；Adobe开发的Autodesk 123D Catch和初创企业Replica Labs开发的Rendor都是可以直接在手机、平板电脑上运行的APP，其通过对物体进行多角度的拍摄并将数据传到云端来重建物体的三维模型，其并不能实现单机操作。

综上所述，目前的三维形貌测量技术存在成本太高，不适合于大众化的便携式测量，不能实现单机操作等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于智能手机的便携式三维形貌测量系统，旨在解决目前的三维形貌测量技术存在成本太高，不适合于大众化的便携式测量，不能实现单机操作的问题。

本发明是这样实现的，一种基于智能手机的便携式三维形貌测量系统，所述基于智能手机的便携式三维形貌测量系统包括：

微型投影模块，用于为自动投射所需光栅条纹图以及条纹周期编码图到被测物体表面，后端计算获取对应的截断相位以及进行相位展开；微型投影模块集成到手机壳里与智能手机组合连接或独立集成为一可插拔部件与智能手机进行有线连接；

智能手机，用于拍摄变形条纹图像，获取物体表面高度分布的原始图像数据；通过对手机和系统进行标定，得到镜头的内参数以及空间外参数；对获取数据进行计算、处理，最终恢复、储存并显示物体三维形貌数据；

条纹图像数据处理APP系统，用于对获取图像数据进行计算、处理，调用已有标定数据恢复、储存并显示三维形貌数据。

进一步，所述智能手机带有摄像头，直接获取变形条纹图像。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于智能手机的便携式三维形貌测量系统的便携式三维形貌测量方法，所述便携式三维形貌测量方法利用基于智能手机的便携式三维形貌测量系统对待测物体进行测量，并得到待测物体的形貌数据。

进一步，所述便携式三维形貌测量方法包括以下步骤：

步骤一，采用二维标靶对手机摄像头进行标定；

步骤二，控制微型投影模块自动投射光栅条纹图和条纹周期编码图；

步骤三，控制智能手机拍摄变形条纹图，计算、恢复、存储并显示三维形貌数据。

进一步，所述条纹图为相移正弦条纹图和格雷码编码图，通过编程控制其自动播放和投影；当一幅正弦条纹图投射到物体表面，通过智能手机获取的变形条纹表示为：

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[φ(x，y)]；

其中a(x，y)为背景光强，b(x，y)为光场调制强度，φ(x，y)为调制光场的相位分布，表征了条纹的变形，与物体高度h(x，y)有确定的对应关系；把正弦条纹在一个周期内均匀的移动N(N≥3)次，每次移动其周期的1/N，变形条纹的相位每次也相应地被移动2π/N，由成像设备获得的N帧条纹图为：

In(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[φ(x，y)+2πn/N]n＝1，2，...，N；

利用光学干涉测量法中解相位的方式，便计算出φ(x，y)：

解出的相位φ(x，y)在(-π，π]内，其是被截断的相位，进行相位展开得到连续相位才能恢复物体高度分布。

进一步，用投射互补格雷码协助进行相位展开；投射额外的格雷码条纹图到被测物表面，保证格雷码码字宽度与正弦周期相同，通过格雷码对变形条纹图进行二值化编码，相位展开时再通过解码找出对应相位级次，进行相位展开；得到连续相位后，再利用标定数据恢复出三维形貌，将重建数据储存并显示在手机上。

进一步，利用智能手机来运算的数据处理方法：在进入手机APP软件主界面后，APP软件首先会读取标定好的数据待用，然后可以选择“拍照”和“从图库中选取已有条纹图像”两种工作模式；若选取“从图库中选取已有条纹图像”模式，则会进入图库，选取所需变形条纹图；若选取“拍照”模式，则会进入拍照界面，拍摄所需测量物体表面的变形条纹，获取新的变形条纹图；在选取或拍摄完变形条纹图后，APP软件首先会将图片数据转换为数组数据，之后会利用相移算法和相位展开算法将图片数组计算处理成相位数组，最后利用事先读入的标定数据将相位数组转化为三维面形数组，存入手机。

本发明提供的基于智能手机的便携式三维形貌测量系统及方法，用智能手机来替代之前摄像机的拍摄功能以及电脑的数据处理工作，完全摆脱了电脑和摄像机，不但将便携式三维测量仪器大小级别从手提式、手持式减小到手握式，同时将人人都有的手机利用起来，使系统的成本从原来的成千上万降低到几百元内，使三维形貌测量技术的大众普及成为了可能，从而实现三维形貌测量的便携化和实时化。通过条纹投影法，采用可编程的智能手机作为核心，微型投影模块为外接设备或内部集成设备，利用图像数据处理APP系统进行数据处理，实现一个精度达到亚毫米量级、完全满足大众娱乐需求、非接触的便携式三维形貌测量系统。

本发明用智能手机代替了传统三维测量仪器中变形条纹拍摄和数据处理两大模块，使得三维测量变得和拍照摄影一样的简单、快捷，极大地提高了装置的便携程度；将拍摄图片、处理数据以及储存并显示数据整个过程编写成算法，封装进一个应用程序中，因为智能手机的普及性以及应用程序强大的可移植性，使得本装置适用人群广，易于推广；使用微型投影部件或系统进行条纹投影，在保证投影条纹质量的前提下，也进一步保证了装置的便携化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维形貌测量系统结构示意图；

图中：1、微型投影模块；2、智能手机；3、条纹图像数据处理APP系统。

图2是本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维形貌测量方法流程图。

图3是本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维测量系统测量原理图。

图4是本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维测量系统实物模拟示意图。

图5是本发明实施例提供的智能手机内的APP软件工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维形貌测量系统包括：

微型投影模块1：其功能为自动投射所需光栅条纹图以及条纹周期编码图到被测物体表面，用于后端计算获取对应的截断相位以及进行相位展开。

微型投影模块1可为可编程的数字投影仪；也可以用光源经投影系统直接对光栅模板进行投影。可将微型投影模块集成到手机壳里与智能手机组合连接，也可将其独立集成为一可插拔部件与智能手机进行有线连接。

智能手机2：用以拍摄变形条纹图像，获取物体表面高度分布的原始图像数据；通过对手机和系统进行标定，得到镜头的内参数以及空间外参数，为三维形貌重构提供必要的参数；对获取数据进行计算、处理，最终恢复、储存并显示物体三维形貌数据。

所述智能手机2具有独立的应用编程能力，并且都带有摄像头，便于直接获取变形条纹图像。

条纹图像数据处理APP系统3：对获取图像数据进行计算、处理，调用已有标定数据恢复、储存并显示三维形貌数据。

如图2所示，本发明实施例提供的基于智能手机的便携式三维形貌测量方法利用基于智能手机的便携式三维形貌测量系统对待测物体进行测量，并得到待测物体的形貌(场景)数据，其中该方法包括以下步骤：

S101：采用二维标靶对手机摄像头进行标定；

S102：控制微型投影模块自动投射光栅条纹图和条纹周期编码图；

S103：控制手机拍摄变形条纹图，计算、恢复、存储并显示三维形貌数据。

所述步骤S101具体为：采用张正友的标定方法对手机摄像头进行标定，获取手机摄像头的内外参数，从而为三维重建提供必要参数。

所述步骤S102具体为：将所需光栅条纹投影图和条纹周期编码图存入投影仪中，对投影仪进行编程，控制其自动投射所存入图片。

所述步骤S103具体为：为了更好地操控基于智能手机的三维测量系统，同时为了实现系统的运算独立性，脱离处理数据对电脑的依赖，将控制手机拍摄以及条纹投影测量原理写成算法，封装进一个应用程序中，实现手机从拍摄条纹图到处理数据，最后储存并显示三维形貌数据的完整过程。

在本发明实例中，图3，本基于智能手机的便携式三维测量系统主要有两大模块：智能手机摄像头模块和微型投影模块，两大模块通过手机壳嵌入式连接。微型投影模块中已写入所需条纹图，本发明实施例投射的条纹图为相移正弦条纹图和格雷码编码图，可通过编程控制其自动播放和投影。当一幅正弦条纹图投射到物体表面，通过手机获取的变形条纹可以表示为：

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[φ(x，y)] (1)

其中a(x，y)为背景光强，b(x，y)为光场调制强度，φ(x，y)为调制光场的相位分布，表征了条纹的变形，与物体高度h(x，y)有确定的对应关系。为了得到物体表面高度，需要求解相位分布φ(x，y)。实际应用中，最常用的解相位方法为标准N步相移算法，即把正弦条纹在一个周期内均匀的移动N(N≥3)次，每次移动其周期的1/N，变形条纹的相位每次也相应地被移动2π/N，由成像设备获得的N帧条纹图为：

In(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[φ(x，y)+2πn/N]n＝1，2，...，N (2)

利用传统的光学干涉测量法中解相位的方式，便可计算出φ(x，y)：

通过式(3)解出的相位φ(x，y)在(-π，π]内，其是被截断的相位，因此需要进行相位展开得到连续相位才能恢复物体高度分布。

相位展开是恢复正确相位和面形的关键，为了保证相位的正确展开，避免误差的传播，本发明实例利用投射互补格雷码协助进行相位展开。此方法的主要思想是投射额外的格雷码条纹图到被测物表面，保证格雷码码字宽度与正弦周期相同，通过格雷码对变形条纹图进行二值化编码，相位展开时再通过解码找出对应相位级次，进行相位展开。

得到连续相位后，再利用标定数据恢复出三维形貌，将重建数据储存并显示在手机上。

为了实现以上步骤，将整个数据处理流程写成算法，封装进一个应用程序APP，利用智能手机来运行整个数据处理过程。智能手机APP软件工作的具体流程参见图4，在进入手机APP软件主界面后，APP软件首先会读取标定好的数据待用，然后可以选择“拍照”和“从图库中选取已有条纹图像”两种工作模式。若选取“从图库中选取已有条纹图像”模式，则会进入图库，选取所需变形条纹图；若选取“拍照”模式，则会进入拍照界面，拍摄所需测量物体表面的变形条纹，获取新的变形条纹图。在选取或拍摄完变形条纹图后，APP软件首先会将图片数据转换为数组数据，之后会利用相移算法和相位展开算法将图片数组计算处理成相位数组，最后利用事先读入的标定数据将相位数组转化为三维面形数组，存入手机。

利用此装置测量了一个面具模型，将恢复的三维数据作为测量结果显示，从测量结果可以看出，基于智能手机的便携式三维测量系统及方法很好地恢复了物体的三维形貌，相比于现有的测量装置，本发明更具便携性，将拍摄和计算两大部分的工作交给了智能手机来完成，为三维测量仪器的普及推广奠定了很好的基础。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。