基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維測量方法，具體涉及一種基于正弦和三角波條紋投影的三維 測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光投影輪廓術(shù)由于非接觸、全場無損耗測量、測量速度快、靈敏度高和自動化 程度高等優(yōu)點，在三維測量中有重要意義。三維測量系統(tǒng)如圖1所示，包括DLP投影儀1、 CCD2、工作站3、測量支架4、參考平面5和待測物體6 ;DLP投影儀1和CCD2放在測量支架4 上；DLP投影儀1、(XD2分別通過數(shù)據(jù)線連接工作站3 ;待測物體6放在參考平面5上；工作 站3內(nèi)包含圖像采集卡、投影軟件、測量軟件。DLP投影儀1將帶有特征信息的條紋聚焦投 射到被測物體6表面，由CCD2采集條紋信息，經(jīng)過工作站3處理后提取出特征信息，并按照 特定算法進(jìn)行三維重建。DLP投影儀1光軸和(XD2光軸相交于0點。DLP投影儀1和(XD2 為同一高度，它們之間的距離為4它們到參考平面的距離為Λ。被測物體6的高度計算公 式為：
其中A為參考平面上的正弦條紋頻率，Sf為物體表面圖像和參考平面圖像對應(yīng)點的 連續(xù)相位差。
[0003] 通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動向分析研究，傳統(tǒng)的三維測量技術(shù)己經(jīng)發(fā)展較為 成熟，但多為靜態(tài)測量，由于投影和采集速度不高及投影條紋的幀數(shù)多，無法實現(xiàn)運動物體 的三維測量和形貌重構(gòu)。近年來高速、實時和高精度的三維測量在物體形變分析、工業(yè)自動 檢測、醫(yī)學(xué)診斷、人臉識別等方面都有著廣泛的應(yīng)用，并且隨著采集設(shè)備、投影設(shè)備、高速處 理器的性能提升，高速、實時和高分辨率的三維測量方法成為研究的熱點。因此，盡量減少 投影條紋的幀數(shù)成為高速、實時和高精度的三維測量的突破口。傳統(tǒng)測量手段中，通常需要 大于等于6幅的條紋圖像，才能實現(xiàn)絕對相位的測量，耗時長，直接影響測量速度。本發(fā)明 提出一種基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，此方法只需投射二幀正弦條紋和二 幀三角波條紋，耗時短，從而提高測量速度，適合快速、實時三維測量的場合。除此之外，采 用了兩幅線性三角波條紋方法，通過計算三角波強(qiáng)度調(diào)制和強(qiáng)度對比度來得到包裹相位， 可以減小物體本身反射率的影響，同時采用三角波條紋可以減小ga_a效應(yīng)的影響，從而 進(jìn)一步提尚了測量精度。
[0004] 隨著工業(yè)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，物體表面形貌高速、實時、高精度的三維測量方 法越來越受到廣大研究者的重視。其中的一個關(guān)鍵問題就是如何減少完成一次相位測量所 需的條紋圖像數(shù)量。因為測量的三維數(shù)據(jù)是由相位通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換而來，所以使用的條紋圖 像數(shù)量越少，在同一時間段內(nèi)，能完成的相位測量次數(shù)就會越多，能實現(xiàn)三維測量的次數(shù)也 就會越多。本發(fā)明所述的一種基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法正是在這一背景 下提出的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，該方法較傳統(tǒng)的 正弦條紋投影的三維測量方法，本方法只需分別投影2幅正弦條紋和2幅三角波條紋，提高 了三維測量速度。
[0006] 本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，由三 角波條紋編碼原理、正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理、三維測量原理三大關(guān) 鍵部分組成；其特征在于： 三角波條紋編碼原理，通過編碼，投影一個周期的三角波條紋； 正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理，2幅正弦條紋和2幅三角波條紋分離 出的4個強(qiáng)度，使用相移法得到截斷相位值，再通過提取CCD記錄的三角波條紋的強(qiáng)度，通 過三角波條紋二步相移方法得到包裹相位，然后利用四幅條紋相位求解方法求出條紋級 次，通過解相公式進(jìn)行相位解包裹，得到連續(xù)相位值。
[0007] 所述三維測量原理，利用相位-高度公式：
得到物體表面每一點的高度信息。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點是：（1)與傳統(tǒng)的正弦條紋投影方法相比：通常需要大于等于6幅 的條紋圖像，才能實現(xiàn)絕對相位的測量，本方法只需分別投影2幅正弦條紋和2幅三角波條 紋，提高了三維測量速度；（2)采用了兩幅線性三角波條紋方法，通過計算三角波強(qiáng)度調(diào)制 和強(qiáng)度對比度來得到包裹相位，可以減小物體本身反射率的影響，從而進(jìn)一步提高了測量 精度。（3)由于投影條紋幅數(shù)少，測量速度快，本方法在動態(tài)物體的快速、實時三維測量中具 有潛在的應(yīng)用前景和實用價值。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的三維測量系統(tǒng)示意圖。
[0010] 圖2為本發(fā)明的三角波條紋圖。
[0011] 圖3為本發(fā)明的包裹相位與截斷相位圖。
[0012] 圖4位本發(fā)明條紋級次與截斷相位圖。
【具體實施方式】
[0013] 以下結(jié)合【附圖說明】對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實施例并不用于限 制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0014] 本發(fā)明是這樣來工作和實施的，基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，其 特征是：由三角波條紋編碼原理、正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理、三維測量 原理三大關(guān)鍵部分組成。
[0015] (一）三角波條紋編碼原理 在同一個周期內(nèi)生成有半個周期相移的2組三角波，其每組三角波中各段像素的分配 如下：
其中y為三角波的像素，P為一個三角波周期總像素數(shù)。pl，p2, p3, p4各段分布情況如 圖2所示三角波條紋圖。
[0016] (二）正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理 a. 從兩幅正弦條紋和兩幅三角波條紋提取出四個強(qiáng)度
求出截斷相 位：
b. 從兩幅三角波條紋提取出的兩個強(qiáng)度霉★ i，求出強(qiáng)度調(diào)制ig:
其中
分別為兩個相移的三角波條紋強(qiáng)度最大值和最小值，從而求出：
其中是三角波條紋強(qiáng)度比，^平均分布在（〇, 1)之間，根據(jù)考;求出包裹相位f::
其中R=l，2, 3, 4,包裹相位在平均分配（0, 2)之間。如圖3所示包裹相位與截斷相位 圖。
[0017] c.由包裹相位和截斷相位求出條紋級次：
其中N是正弦條紋的周期，round函數(shù)為通過取整運算得到的理想條紋級次。如圖4所 示條紋級次與截斷相位圖。
[0018] d.通過解相公式：
進(jìn)行相位解包裹，得到連續(xù)相位值。
[0019](三）三維測量原理 從而利用相位-高度公式
最后得到物體表面每一點的高度信息。
【主權(quán)項】
1.基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，由三角波條紋編碼原理、正弦和三角 波四幅條紋相位求解與去包裹原理、三維測量原理三大關(guān)鍵部分組成；其特征在于： 三角波條紋編碼原理，通過編碼，投影一個周期的三角波條紋； 正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理，2幅正弦條紋和2幅三角波條紋分離 出的4個強(qiáng)度，使用相移法得到截斷相位值，再通過提取CCD記錄的三角波條紋的強(qiáng)度，通 過三角波條紋二步相移方法得到包裹相位，然后利用四幅條紋相位求解方法求出條紋級 次，通過解相公式進(jìn)行相位解包裹，得到連續(xù)相位值； 所述三維測量原理，利用相位-高度公式：得到物體表面每一點的高度信息。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于正弦和三角波條紋投影的三維測量方法，由三角波條紋編碼原理、正弦和三角波四幅條紋相位求解與去包裹原理、三維測量原理三大關(guān)鍵部分組成。本發(fā)明的優(yōu)點是：（1）與傳統(tǒng)的正弦條紋投影方法相比：傳統(tǒng)測量手段中，通常需要大于等于6幅條紋圖像，才能實現(xiàn)絕對相位的測量，本方法只需分別投影2幅正弦條紋和2幅三角波條紋，提高了測量速度；（2）采用了兩幅線性三角波條紋，通過計算三角波強(qiáng)度調(diào)制和強(qiáng)度對比度來得到包裹相位，可以減小物體表面反射率的影響，從而進(jìn)一步提高了測量精度。（3）由于投影條紋幅數(shù)少，測量速度快，本方法在動態(tài)物體的快速、實時三維測量中具有潛在的應(yīng)用前景和實用價值。
【IPC分類】G01B11/25
【公開號】CN105300317
【申請?zhí)枴緾N201510709722
【發(fā)明人】伏燕軍, 曾灼環(huán), 黃超, 屈國麗, 江光裕
【申請人】南昌航空大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月28日