[发明专利]基于相位级次自编码的光学三维测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于相位测量轮廓术对空间孤立物体的三维面形测量。

背景技术

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、精度高、易于自动控制等优点获得很大发展。现有的光学三维传感方法主要包括：三角测量法、莫尔条纹法(Moiré Topography, 简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry, 简称FTP)、空间相位检测术(Spatial Phase Detection, 简称SPD)、相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，简称PMP)等, 这些方法都是通过解调受三维物体面形调制的空间结构光场，以获得三维物体面形的高度信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是傅里叶变换轮廓术和相位测量轮廓术。傅里叶变换轮廓术是通过对变形条纹图像进行傅里叶变换、频域滤波和逆傅里叶变换等步骤实现的。相位测量轮廓术需要从多帧相移条纹图形来重建三维面形，具有很高的精度，但在传统的相位测量技术中，在测量不连续物体时，相位展开是一个难题，此时通常需要投影额外的编码图案，如时间相位展开法或正弦条纹投影与格雷码方法相结合等，但是由于投影了额外编码图案使得这些方法不适用于对不连续物体场景的快速三维测量。

发明内容

本发明针对传统相位测量轮廓术中，在测量不连续物体时，需要投影额外的编码图案，提出采用数字投影设备投影具有相位级次编码信息的正弦条纹，将相位分布的微分值或斜率作为编码通道，完成对各条纹级次的编码，因此无需投影额外的编码图像，即可完成对空间不连续物体的三维面形测量。

本发明的目的采用下述技术方案来实现：

设计具有编码信息的相位分布，根据编码相位分布产生用于数字投影设备投影的N帧相移正弦条纹（N≥3），在编码相位分布中，每个条纹周期作为一个编码单元，码值为1或0，分别对应编码相位微分值或斜率值的正或负，从而设计构造出一个总长度等于投影条纹周期数的代码序列，完成对各条纹级次的编码；在测量时，投影N帧相移条纹图，再根据相移算法计算出截断相位分布，由其微分值或斜率值确定当前周期码值，然后将该码值与其相邻若干周期码值组成一个代码子序列，通过查找该子代码序列在预先设计的代码序列中的位置，就可以确定当前周期的级次，从而得到待测物体的绝对相位分布，再根据已知的相位与高度关系即可完成待测物体的三维面形重建；最后再采用希尔伯特变换修正因编码引起的局部相位误差。与传统的相位测量轮廓术相比，新的方法不需要投影额外的编码图像，尤其适用于孤立物体的快速三维面形测量。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明将相位级次信息编码在相位分布中，使得在进行光学三维测量时，不需要投影额外的编码图像，即可获取待测物体的绝对相位分布；

2、本发明可以根据待测物体的大小，调整代码序列长度，实现对不同尺寸物体的测量；

3、本发明与高速投影和记录设备相结合，特别适合于实现孤立物体的快速运动面形测量。

附图说明

图1为系统的光路示意图。

图2 为传统的三帧相移条纹图，其中a) 第一帧条纹，b) 第二帧条纹，c) 第三帧条纹，d) 截断相位，e)截断相位剖面。

图3 为本发明中提到的基于相位级次自编码的三帧相移条纹图，其中a) 第一帧条纹，b) 第二帧条纹，c) 第三帧条纹，d) 截断相位，e)截断相位剖面与编码值，f)截断相位微分。

图4 为本发明中编码信息引入的相位测量误差，其中(a)~(d)为三帧条纹图及截断相位，(e)~(h)为条纹图和截断相位剖面及条纹编码值，(i)为展开相位与传统相移结果差。

图5 为采用希尔伯特变换修正局部相位误差，其中(a) 余弦条纹，(b) 余弦条纹剖面，(c) 正弦条纹，(d)正弦条纹剖面，(e)截断相位分布, (f)希尔伯特变换修正后相位与传统3步相移结果之差。

图6为本发明的测量流程图。

图7为实施例中的测量结果，其中a) 第一帧条纹，b) 第二帧条纹，c) 第三帧条纹，d) 截断相位，e)绝对相位。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。