一種基于恒定相位編碼的數(shù)字相移三維測量輪廓術(shù)相位誤差檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種巧妙、簡單卻又高效的適用于相移法三維測量輪廓術(shù)的基于恒定相位編碼的數(shù)字相移三維測量輪廓術(shù)相位誤差檢測方法。該方法的特點(diǎn)是，編碼生成相位確定的恒定相位相移條紋圖，采用投影儀將其投射到被測物體表面，采用相機(jī)采樣后利用傳統(tǒng)的包裹相位求解方法求得采樣條紋包裹相位。相位求解數(shù)值解包裹后與其真值的差即為實(shí)測相位誤差。本發(fā)明投影N步相移恒定相位圖到被測物體表面，求解各個(gè)相位值對應(yīng)采樣條紋圖的相位誤差，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)擬合方法就能夠得到采用N步相移法進(jìn)行測量時(shí)測量系統(tǒng)gamma效應(yīng)引起的全場誤差分布。該方法還能夠被用于檢測其它各種類型的相位誤差源，并量化其對求解相位的影響。
【專利說明】一種基于恒定相位編碼的數(shù)字相移三維測量輪廓術(shù)相位誤 差檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量領(lǐng)域，涉及一種基于恒定相位編碼技術(shù)的數(shù)字相移法條 紋投影輪廓術(shù)相位誤差檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于光學(xué)相位測量的三維輪廓術(shù)，具有非接觸、全場測量、高測量點(diǎn)云密度等優(yōu) 點(diǎn)，近些年得到了越來越廣泛、深入的研究。其中基于多步相移法的光學(xué)相位測量三維輪廓 術(shù)由于測量精度高、對測量對象適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了更多的發(fā)展。該技術(shù) 已被廣泛應(yīng)用在考古測量、美容整形等醫(yī)學(xué)測量、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測、工件三維測量甚至航 空發(fā)動機(jī)葉片葉盆、葉背三維形貌的測量中。
[0003] 近年來，隨著數(shù)字投影技術(shù)及數(shù)字相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字投影儀及數(shù)字相機(jī) 被廣泛應(yīng)用于相移法光學(xué)相位測量三維輪廓術(shù)中。無論是數(shù)字投影儀還是數(shù)字相機(jī)，都存 在所謂的ga_a效應(yīng)--對光的輸入輸出響應(yīng)曲線為非線性。這會引起較大的相位測量誤 差。這種現(xiàn)象在相移步數(shù)較低時(shí)尤為明顯。測量中由于測量環(huán)境的擾動、投影儀及相機(jī)光 學(xué)器件的不穩(wěn)定等因素，采樣條紋中會存在隨機(jī)噪聲，這也會引起相位測量誤差。gamma效 應(yīng)和隨機(jī)噪聲是相移法三維輪廓測量術(shù)中相位求解誤差的最主要來源。所有的相位誤差都 有可能帶來最終的被測物體三維輪廓測量誤差。為了提高相移法相位測量輪廓術(shù)的測量 精度，需要對相應(yīng)的相位誤差進(jìn)行抑制、補(bǔ)償。國內(nèi)外學(xué)者對這一問題做了大量有價(jià)值的研 究工作。
[0004] 在這些研究工作中，比較有代表性的有：Satoshi Kakunai等人在"Profile Measurement taken with Liquid-Crystal Gratings"中提出米用 gamma 預(yù)標(biāo)定方法對投影 條紋圖進(jìn)行基于標(biāo)定結(jié)果的光強(qiáng)預(yù)校正；Zhang Song等人在"Phase error compensation for a3-D shapemeasurement system based on the phase-shifting method" 中提出 了基于 gamma預(yù)校正實(shí)現(xiàn)建立相位誤差查找表的方法，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對求解相位的補(bǔ)償；Liu Kai等人 在"Gamma model and its analysis for phase measuring profilometry，'中提出 了基于 gamma 分析的條紋求解相位優(yōu)化方法。
[0005] 這些方法都能夠在一定程度上提高相位求解精度，但是前兩種方法忽略了 gamma 效應(yīng)分布的非均勻性，因而優(yōu)化效果有待提高；第三種方法雖然宣稱能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的相 位優(yōu)化效果，不過其實(shí)施需要借助多步相移法，這為其實(shí)際應(yīng)用帶來了限制。實(shí)際上，據(jù)我 們所知，現(xiàn)在還沒有一種方法能夠通過實(shí)驗(yàn)手段精確地對ga_a效應(yīng)引起的相位誤差及其 全場分布進(jìn)行量化分析。對于隨機(jī)噪聲等其它相位誤差源引起的相位誤差也存在類似問 題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了實(shí)現(xiàn)對相移法相位測量輪廓術(shù)在實(shí)測中由于測量系統(tǒng)ga_a效應(yīng)、隨機(jī)噪聲 等因素引起的相位求解誤差及其分布規(guī)律進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)手段的高精度量化，從而為后續(xù)的 相位誤差補(bǔ)償、相移步數(shù)的合理選用及條紋圖降噪方法的選用等提供有效的參考信息，本 發(fā)明提出了一種巧妙、簡單而又高效的相位誤差檢測方法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于恒定相位編碼的數(shù)字相移三維測量輪廓術(shù)相位誤差檢測方法，包括以下 步驟：步驟1 :生成不同相位值仍)的N步相移恒定相位條紋圖；步驟2 :將步驟1生成的各 個(gè)條紋圖投影到被測物體上，對被測物體反射的條紋進(jìn)行采樣、降噪；步驟3 :對步驟2降噪 后的條紋圖進(jìn)行包裹相位求解；步驟4 :根據(jù)步驟3的結(jié)果對恒定相位條紋圖求解實(shí)測全場 相位誤差。
[0009] 所述步驟1的相位圖是根據(jù)以下公式建立的：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于恒定相位編碼的數(shù)字相移三維測量輪廓術(shù)相位誤差檢測方法，其特征在于 包括以下步驟： 步驟1 :生成不同相位值％的N步相移恒定相位條紋圖； 步驟2 :將步驟1生成的各個(gè)條紋圖投影到被測物體上，對被測物體反射的條紋進(jìn)行采 樣、降噪； 步驟3 :對步驟2降噪后的條紋圖進(jìn)行包裹相位求解； 步驟4 :根據(jù)步驟3的結(jié)果對恒定相位條紋圖求解實(shí)測全場相位誤差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于：所述步驟1的相位圖是根據(jù)以下公 式建立的：
其中，a為條紋背景項(xiàng)，b為條紋幅值，灼為條紋相位值，Δ仍=2;τ(/-1) / /V是第i步 相移值，i = 1，2···，Ν，Ν是相移總步數(shù)，"(-V,少）為投影條紋圖像素坐標(biāo)（x，y)處的編碼灰 度值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于：所述步驟3采用以下公式進(jìn)行包裹 相位求解：
其中，// (X',/)為采樣得到的第i步相移條紋圖在采樣圖像坐標(biāo)（X'，y'）處的灰度 值，朽(X',/)為采樣圖像坐標(biāo)（X'，/)處的求解包裹相位值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測方法，其特征在于：所述步驟4采用公式 朽(.\乂 .y' )= a (X', /)-外求解實(shí)測全場相位誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的檢測方法，其特征在于：在步驟3中，當(dāng)外e 〇,2;r]時(shí)， 對求解的相位進(jìn)行解包裹后再求解全場相位誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測方法，其特征在于：所述解包裹指對求解的相位值加 2 π 0
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的檢測方法，其特征在于：在步驟4后進(jìn)一 步包括有步驟5 :采用數(shù)據(jù)擬合方法將計(jì)算得到的離散相位誤差所對應(yīng)的相位分布擴(kuò)展到 [0, 2 π ]。
【文檔編號】G01B11/25GK104048621SQ201410258731
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】趙宏, 張春偉 申請人:西安交通大學(xué)