[发明专利]一种高速结构光三维面形垂直测量方法

说明书

本发明是一种采用投影单帧结构光图像的高速三维面形垂直测量方法。在结构光投影装置中采用一个特殊的组合投影镜头，该镜头包括一个普通投影镜头和一个柱透镜。组合投影镜头将1帧正交光栅图像成像在被测物体上，正交光栅水平条纹的像与垂直条纹的像被分离。CCD相机通过一个半透半反镜从同一个方向同步获取受到物体高度调制的正交光栅图像。对采集的图片进行傅里叶变换、滤波和逆傅立叶变换，得到正交光栅像的水平条纹分量与垂直条纹分量的调制度在物体表面的分布。利用事先标定所得的调制度值和高度的对应关系重建物体三维面形。本发明能实现通过单帧条纹图拍摄即可重建物体三维形貌，具有实现高速垂直测量的特点。

技术领域

本发明涉及结构光投影光学面形测量技术，特别是涉及投影方向和探测方向共轴的高速三维面形垂直测量方法。

背景技术

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在计算机视觉、生物医学、工业检测、逆向工程、影视特效、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、高精度、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(FourierTransform Profilometry,简称FTP)、空间位相检测术(Spatial Phase Detection,简称SPD)、位相测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,简称PMP)、调制度测量轮廓术(Modulation Measurement Profilometry,简称MMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制来获得三维物体面形信息。大多数结构光三维测量系统，结构光投影方向和摄像机探测方向之间存在一个夹角，投影一个正弦光栅（直条纹）到被测三维表面，从另一个方向观察到的是变形条纹，通过计算条纹的变形量重建三维面形。投影光轴和观察光轴之间的夹角越大，变形量越大，重建精度越高。然而，对于复杂的三维面形，夹角越大可能产生的遮挡和阴影问题越严重。与三角测量相对应，将投影光轴和观察光轴重合的测量方法称为“垂直测量”。基于调制度测量的三维面形测量方法采用了垂直测量原理，从而摆脱了基于三角测量原理的光学三维传感方法中阴影、遮挡等限制，可以实现表面高度变化剧烈或不连续的物体的测量（如：Likun Su, Xianyu Su, Wansong Li, andLiqun Xiang, Application of modulation measurement profilometry to objectswith surface holes, Applied Optics, 38(7),1999,1153-1158）。在现有的调制度测量轮廓术中，通常采用傅里叶变换对单帧图像进行单独处理，或者采用对每一位置采集N（N≧3）帧相移条纹图利用N步相移方法计算调制度信息。若使用对每一位置采集N（N≧3）帧相移条纹图利用N步相移方法计算调制度信息的方法，将增加扫描过程中图像的采集数量，不仅影响了测量速度，而且还增加了图像的采集数量。在已有的采用傅里叶变换获取调制度的方法中，使用投影光栅调制度变化曲线的单边，或者使在物方前后分离放置横光栅和竖光栅条纹，分别得到两光栅的调制度曲线并使之正交（如：Kasai Yoichiro, Miyamoto Yoko,Takeda Mitsuo, Tanaka Hideyuki, Gu Ruowei. Absolute 3-D Sensor with singlefringe-pattern recording. Proc SPIE, 2002;4900:173–7）。两种方法均通过建立调制度与高度之间的映射关系实现三维面形测量：第一种方法，其调制度易受物体表面反射率不均强的影响；第二种方法在实现时，光路系统复杂，校准难度高，且由于在投影物方，横竖两光栅依次放置，使得两光栅的像在通过光学系统后发生卷积，经傅里叶变换后，其频谱容易在频率域产生乘积项，致使引入误差。应用本发明提及的在投影系统中采用一个普通投影镜头和一个柱透镜构成的组合透镜，将1帧正交光栅图像投影在被测物体上时，正交光栅水平条纹的像面与垂直条纹的像面在投影方向上分离，可得到对应水平条纹和垂直条纹的分离的两个调制度曲线，利用这两条曲线建立高度映射关系后，每次只需在被测物体上拍摄单帧条纹，即可根据映射关系重构三维物体。该方法通过两条调制度曲线，消除反射率不均强的影响，且其通过单帧图像的处理即可得到物体高度的特点，可以应用于高速，甚至动态测量领域。