[发明专利]一种基于条纹周期校正的复杂大物体三维测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，尤其涉及一种基于条纹周期校正的复杂大物体三维测量方法。

背景技术

光栅投影法广泛应用于物体的三维测量，三维测量技术是现代制造业的关键基础技术之一，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术。它为产品制造提供必需的三维数据，广泛地应用于各种复杂工件的三维测量、质量控制、数字制造、逆向工程和虚拟制造等领域，具有很高的实用价值。采用光栅投影法进行物体三维形貌的测量，由于具有灵敏度高、非接触、实时等优点，已经成为检测物体三维形貌的一种重要测量手段。光栅投影法是将光栅条纹投影到被测表面上，光栅条纹在空域中被载波频率所调制。该调制信号经滤波并解调，得到相应于被测物体表面高度的相位信息，最终重构出被测物体的表面轮廓。

光栅投影法测量物体的三维轮廓时，它一般采用单投影仪和单摄像机的相交轴系统。投影仪用于投射正弦光栅条纹到被测物体表面，摄像机用于对被物体调制的条纹成像。但是相交轴系统有如下问题：在进行三维测量时，参考平面上的正弦光栅条纹周期是一个很重要的参数，直接影响测量结果。当投影仪倾斜投影时，由于投影光线是发散的，参考平面上的正弦光栅条纹周期会出现展宽，它不是一个定值。参考平面上的相位分布不是线性分布，给测量带来误差，降低测量精度。对于小物体的测量，由于条纹周期展宽较小，采用了标定技术后，可以达到一定的测量精度。但是对于较大物体的测量，例如1-1.5米长，1米左右宽的物体，越偏离原点，条纹周期展宽得越严重，测量精度越低。所以条纹投影轮廓术只适用于小物体的测量，并且物体放置在原点附近比较好，从而限制了它的应用范围。参考平面上的条纹周期展宽成为条纹投影轮廓术应用的一个主要障碍。

从国外来看：由于条纹投影轮廓术的优越性和广泛的应用前景，很多研究者对其进行了研究。参考平面上的光栅条纹周期是一个重要的参数，许多研究者对其进行了深入研究，指出了光栅条纹周期展宽的问题，做了很多有意义的工作。国外相关文献记载：第一，指出了在相交轴系统中，当投影仪倾斜投影时，一个周期均匀的光栅条纹投射到参考平面上时周期不是一个定值，并提出了一种误差补偿算法来进行修正。第二，分析得到了虚拟参考平面和参考平面上条纹周期的关系式。第三，分析得到了投影平面和参考平面的条纹周期关系，并且采用最小二乘法得到参考平面上的相位。第四，根据几何分析得到了相位和被测物体高度之间的关系表达式。第五，针对在测量大物体时，条纹投影在参考平面上的等效波长不能看成一个定值的情况，推导了投影坐标、物体坐标和摄像机坐标三个坐标之间的数学关系式。得到一个不依靠恒等效波长的三维轮廓与相位之间的映射关系式，消除了由于等效波长变化引起的测量误差。

从国内来看：国内研究者对条纹投影轮廓术及其应用也进行了深入研究，并取得了很好的成果。在条纹周期校正方面，国内相关文献记载：第一，提出了一种利用静态相位测量轮廓术分析参考平面截断相位分布, 采用迭代算法逐步修正投影光栅条纹周期的方法。第二，提出了一种在参考平面上得到均匀周期条纹的方法。第三，分析了在投影仪正投，相机倾斜接收时，被测物体的高度和高度误差的表达式。第四，提出了一种复杂面形的相交轴投影测量系统，在考虑了条纹周期展宽的基础上，详细论述了该系统的相位测量原理,物理面形与所求相位之间的关系。在像点位移误差校正、镜头畸变校正、相移法、系统标定、相位去包裹和应用上进行了一系列的研究，做出了卓有成效的工作，丰富和发展了条纹投影轮廓术的理论。 

光栅投影法测量物体的三维轮廓采用相交轴系统时，由于倾斜投影，参考平面上的光栅条纹周期出现展宽，导致周期不是定值,当被测物体较大时，给测量带来较大误差。目前，国内国外尚未出现一种测量方法可以在投影仪平面上生成各个频率五步相移的系列正弦光栅条纹(周期非均匀)，该条纹投影到参考平面上得到各个频率五步相移的系列正弦光栅条纹(周期均匀)，各个频率满足指数序列的时间相位展开法的条纹频率变化规律，实现复杂大物体的高精度三维测量。

                    发明内容                        

本发明的目的在于提供一种基于条纹周期校正的复杂大物体三维测量方法，该测量方法提出了基于条纹周期校正的五步相移法和时间相位展开方法，实现复杂大物体高精度的三维测量。