一种结构光测量系统高精度校准方法与流程
本发明涉及结构光三维测量领域，具体是一种结构光测量系统高精度校准方法。
背景技术：
在物体的三维测量中，其中结构光测量技术是一种常用的物体三维测量方法，结构光测量技术是通过主动式、非接触式光学测量实现三维测量的技术，结构光以光学三角法测量作为基础，通过与投射光成一定角度的方向的光栅条纹投射投射到被测量物体上，结构化编码被投射物体上光线信息，通过计算机解码和相应的算法，得到相应的被测量物体的三维信息。
在工业上，结构光的产品比较多，大致上有三个形式，第一种是以结构光为原理的3d传感器的制造商，主要是生产小型的结构光的传感器，供以自动化设备公司应用；第二种是专注于3d测量的公司，结构光模块只是其中一个核心模块；第三种主要是用于大型工件测量的仪器，主要专注在大型工件测量，现有流行的结构光测量方法存在以下问题：
1.投影仪的安装成一定角度，投影的条纹亮度以及条纹间隔不一致，导致解相的时候存在解相误差，给后续测量结构带来误差；
2.条纹周期并不完全对应相移条纹周期，周期的边界处存在为对准的情况，条纹存在噪声；
3.实际投影的基底由于材质问题，会出现相位倾斜、额外引入噪声、测量精度损失等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结构光测量系统高精度校准方法，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方法：
一种结构光测量系统高精度校准方法，包括以下步骤：
步骤s1：投影装置向被测量物体表面发出投射光，在发出投射光之前，对投射光进行线性亮度平衡，所述投射光通过光栅条纹投射到被测量物体上，其中，光栅条纹与投射光呈一定角度；
步骤s2：图像采集装置采集被测量物体表面的投射光，形成投射光图像，对投射光图像进行条纹正弦补偿，获得理想投射条纹；
步骤s3：对投射光图像进行解调得到相位信息，根据相位信息和结构光测量系统产生的拟合平面获取被测量物体的三维信息相位，从而获取被测量物体的三维信息。
优选地，所述步骤s1中投射装置发出投射光之前，产生光栅条纹，对产生的光栅图像进行线性亮度平衡，所述线性亮度平衡方法包括以下步骤：
步骤s11，投射装置向被测量物体表面发出投射光，投射光发出之前，投射装置计算投射光的光栅条纹，得到规则的周期性正弦条纹，产生光栅图像；
步骤s12，对所述光栅图像进行数字线性处理，进行亮度平衡，获得均匀性正弦条纹，由于投射光与被投射物体成一定的角度，导致整视场范围条纹的亮度成线性下降趋势，所以对光栅图像进行亮度平衡。
进一步地，所述步骤s11中产生不规则周期性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)；
其中，i(x，y)为产生不规则周期性正弦条纹的光强在x、y方向的分布，a+b为光栅图像亮度值，f为均匀性正弦条纹的频率，u为投影周期与分辨率的比值，
其中，投影仪分辨率的值为height*width，height为长度像素数，width为宽度像素数，x为不规则周期性正弦条纹的光强在x方向的分布。
不规则周期性正弦条纹的分布与投影光强、亮度值分布有关，光强与亮度值成正比，亮度值高导致正弦条纹整体上移或上半部分大于下半部分，亮度值低导致正弦条纹整体下移或下半部分大于上半部分。
进一步地，所述步骤s12中，对光栅图像进行数字线性处理得到均匀性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)g(1-ku)；
其中，k为变换系数，i(x，y)使光栅图像亮度值在[0，a+b]区间范围内线性变化。
优选地，所述步骤s2中，图像采集装置采集被测量物体表面的投射光，形成投射光图像时，对投射光产生的条纹进行条纹周期补偿，用于对结构光投影的投影成像进行补偿，形成理想成像，所述条纹周期补偿方法包括以下步骤：
步骤s21，被测量物体通过垂直方向的投影装置发出透射光，在投影工作面产生正弦条纹，实现理论成像；
步骤s22，所述投影装置与投影工作面呈一定角度，透射光在投影工作面的实际成像产生的正弦条纹存在变形，对变形的正弦条纹在投影位置进行反向变换；
步骤s23，分别计算2个半周期内反向变换的正弦条纹比例，并将正弦条纹按比例修改，并将2个半周期的正弦条纹范围归一到[0，1]的区间内，得到一个周期内正常的正弦条纹。
进一步地所述步骤s21中，根据公式：
θ＝arctan(ab/2f)；
其中，被测量物体为ab，o为投影装置的光学中心，θ为光栅对应的半角，f为镜头焦距。
进一步地，所述步骤s23中计算半周期内反向变换的正弦条纹比例，根据公式：
其中，
通过上述公式对变形的正弦条纹进行半周期的校正补偿。
进一步地，所述步骤s23中，一个周期内正常的正弦条纹由两个半周期的正弦条纹组成，根据公式：
其中，δθ为一个周期内被投影物体对应的半角；
将一个周期的正弦条纹根据比例进行变化调整，并对周期内的最大值进行相位变换，将周期内的最大值归一到区间[0,1]的范围内，得到单个周期内正常的正弦条纹。
优选地，所述步骤s3中测量系统根据被测量物体的相位信息，预先对测量系统进行标定，获取被测量物体的三维信息，所述获取被测量物体的三维信息，用拟合平面替代原基底相位包括以下步骤：
步骤s31，将带有正弦条纹的物体进行解相，即减去原基底相位，所述原基底相位是一个存储在本地的一个矩阵；
步骤s32，根据最小二乘法拟合平面；
步骤s33，用拟合平面替代基地相位平面。
进一步地，所述步骤s32包括：
根据公式：
其中，x、y、z分别为拟合平面对应的三维空间点，a、b、c为系数，所述拟合平面的任务为求出系数a、b、c；
其中，εi为拟合平面的残差值，(xi,yi,zi)为n个三维空间点；
其中，根据最小二乘法原理，当该公式成立时，a、b、c为平面拟合的系数，所述s为拟合平面，用拟合平面替代原基底相位平面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.线性亮度平衡方法对投影条纹亮度和条纹间隔进行补偿，生成均匀性的正弦条纹，弥补均匀性差造成的影响，减小测量误差；
2.对正弦条纹进行周期性补偿校正，减少投影离焦等因素的影响，通过补偿得到正常的正弦条纹，有效提高结构光检测精度；
3.用拟合平面替代原基底相位简单有效地提高测量精度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种结构光测量系统高精度校准方法的方法流程图；
图2为本发明一种结构光测量系统高精度校准方法的结构示意图；
图3为本发明一种结构光测量系统高精度校准方法的投影结构示意图；
图4为本发明一种结构光测量系统高精度校准方法的实际投影曲线和理论曲线示意图；
图5为本发明一种结构光测量系统高精度校准方法的对正弦条纹进行补偿的条纹变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例中，一种结构光测量系统高精度校准方法，包括以下步骤：
步骤s1：投影装置向被测量物体表面发出投射光，在发出投射光之前，对投射光进行线性亮度平衡，所述投射光通过光栅条纹投射到被测量物体上，其中，光栅条纹与投射光呈一定角度；
步骤s2：图像采集装置采集被测量物体表面的投射光，形成投射光图像，对投射光图像进行条纹正弦补偿，获得理想投射条纹；
步骤s3：对投射光图像进行解调得到相位信息，根据相位信息和结构光测量系统产生的拟合平面获取被测量物体的三维信息相位，从而获取被测量物体的三维信息。
步骤s1中，投射装置发出投射光之前，产生光栅条纹，对产生的光栅图像进行线性亮度平衡，所述线性亮度平衡方法包括以下步骤：
步骤s11，投射装置向被测量物体表面发出投射光，投射光发出之前，投射装置计算投射光的光栅条纹，得到规则的周期性正弦条纹，产生光栅图像；
步骤s12，，由于投射光与被投射物体成一定的角度，导致整个视场范围条纹的亮度成线性下降趋势，对所述光栅图像进行数字线性处理，进行亮度平衡，获得均匀性正弦条纹。
步骤s11中产生不规则周期性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)；
其中，i(x，y)为产生不规则周期性正弦条纹的光强在x、y方向的分布，a+b为光栅图像亮度值，f为均匀性正弦条纹的频率，u为投影周期与分辨率的比值，
其中，投影仪分辨率的值为height*width，height为长度像素数，width为宽度像素数，x为不规则周期性正弦条纹的光强在x方向的分布。
不规则周期性正弦条纹的分布与投影光强、亮度值分布有关，光强与亮度值成正比，亮度值高导致正弦条纹整体上移或上半部分大于下半部分，亮度值低导致正弦条纹整体下移或下半部分大于上半部分。
步骤s12中，对光栅图像进行数字线性处理得到均匀性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)g(1-ku)；
其中，k为变换系数，i(x，y)使光栅图像亮度值在[0，a+b]区间范围内线性变化。
步骤s2中，图像采集装置采集被测量物体表面的投射光，形成投射光图像时，对投射光产生的条纹进行条纹周期补偿，用于对结构光投影的投影成像进行补偿，形成理想成像，所述条纹周期补偿方法包括以下步骤：
步骤s21，被测量物体通过垂直方向的投影装置发出透射光，在投影工作面产生正弦条纹，实现理论成像；
步骤s22，所述投影装置与投影工作面呈一定角度，透射光在投影工作面的实际成像产生的正弦条纹存在变形，对变形的正弦条纹在投影位置进行反向变换；
步骤s23，分别计算2个半周期内反向变换的正弦条纹比例，并将正弦条纹按比例修改，并将2个半周期的正弦条纹范围归一到[0，1]的区间内，得到一个周期内正常的正弦条纹。
步骤s21中，根据公式：
θ＝arctan(ab/2f)；
其中，被测量物体为ab，o为投影装置的光学中心，θ为光栅对应的半角，f为镜头焦距。
步骤s23中计算半周期内反向变换的正弦条纹比例，根据公式：
其中，
通过上述公式对变形的正弦条纹进行半周期的校正补偿。
步骤s23中，一个周期内正常的正弦条纹由两个半周期的正弦条纹组成，根据公式：
其中，δθ为一个周期内被投影物体对应的半角；
将一个周期的正弦条纹根据比例进行变化调整，并对周期内的最大值进行相位变换，将周期内的最大值归一到区间[0,1]的范围内，得到单个周期内正常的正弦条纹。
步骤s3中测量系统根据被测量物体的相位信息，预先对测量系统进行标定，获取被测量物体的三维信息，所述获取被测量物体的三维信息，用拟合平面替代原基底相位包括以下步骤：
步骤s31，将带有正弦条纹的物体进行解相，即减去原基底相位，所述原基底相位是一个存储在本地的一个矩阵；
步骤s32，根据最小二乘法拟合平面；
步骤s33，用拟合平面替代基地相位平面。
步骤s32包括：
根据公式：
其中，x、y、z分别为拟合平面对应的三维空间点，a、b、c为系数，所述拟合平面的任务为求出系数a、b、c；
其中，εi为拟合平面的残差值，(xi,yi,zi)为n个三维空间点；
其中，根据最小二乘法原理，当该公式成立时，a、b、c为平面拟合的系数，所述s为拟合平面，用拟合平面替代原基底相位平面。
实施例
请参阅图3-5，本发明实施例中，线性亮度平衡方法中，产生不规则周期性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)＝255cos(2π*1*0.2+0.3)＝255*0.02＝5.1；
其中，i(x，y)为产生不规则周期性正弦条纹的光强在x、y方向的分布值为5.1，a+b为光栅图像亮度值通常为255，f＝1为均匀性正弦条纹的频率，u为投影周期与分辨率的比值，
其中，分辨率的值为800*600，
不规则周期性正弦条纹正弦性与投影光强、亮度值分布有关，光强与亮度值成正比，亮度值高导致正弦条纹整体上移或上半部分大于下半部分，亮度值低导致正弦条纹整体下移或下半部分大于上半部分，对光栅图像进行线性处理得到均匀性正弦条纹，根据公式：
i(x，y)＝a+bcos(2πfu+δ)g(1-ku)＝5.1*g(1-1*0.2)＝4.08；
其中，k＝1为变换系数，i(x，y)使光栅图像亮度值在[0，255]区间范围内线性变化。
对产生的正弦条纹进行条纹周期补偿，被测量物体为ab＝9.8，o为投影装置的光学中心，根据公式：
θ＝arctan(ab/2f)＝arctan(9.8/2*20.24)＝13.6°；
其中，θ为被投影物体对应的半角，f＝20.24为均匀性正弦条纹的频率为产生的均匀性正弦条纹的频率。
计算半周期内反向变换的正弦条纹比例，根据公式：
其中，
通过上述公式对变形的正弦条纹进行半周期的修改补偿。
一个周期内正常的正弦条纹由两个半周期的正弦条纹组成，根据公式：
其中，δθ为单个周期内被投影物体对应的半角；
将一个周期的正弦条纹根据比例进行变化调整，并对周期内的最大值进行相位变换，将周期内的最大值归一到区间[0,1]的范围内，得到单个周期内正常的正弦条纹。
拟合平面替代原基底相位方法，根据公式：
其中，x、y、z分别为拟合平面对应的三维空间点，a、b、c为系数，所述拟合平面的任务为求出系数a、b、c；
其中，εi为拟合平面的残差值，(xi,yi,zi)为n个三维空间点；
其中，根据最小二乘法原理，当该公式成立时，a、b、c为平面拟合的系数，所述s为拟合平面，用拟合平面替代原基底相位平面。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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