[发明专利]一种二维运动物体的三维测量方法及装置

说明书

本发明涉及一种二维运动物体的三维测量方法及装置，其中的测量方法包括：依次向待测运动物体投射N组正弦波条纹，相应获取正弦波条纹经待测运动物体表面反射所形成的N幅物体条纹图；去除N幅物体条纹图中的周期性条纹，并对已去除周期性条纹的物体条纹图进行特征点提取，计算出描述物体运动的旋转平移矩阵；根据未去除周期性条纹的物体条纹图、旋转平移矩阵以及带有物体运动信息的三维重构模型，计算运动物体的相位信息；根据运动物体的相位信息以及相位‑高度转换关系，计算出物体的三维信息。本发明通过自动追踪待测物体的运动，通过采用特征点提取来获取物体运动的旋转平移矩阵，最终重构待测运动物体，实现了运动物体测量的完全自动化。

技术领域

本发明涉及一种二维运动物体的三维测量方法及装置，属于三维测量技术领域。

背景技术

近年来，基于相移法(Phase shifting profilometry-PSP)的三维测量技术引起了国内外的广泛关注。典型的相移法三维测量系统包含一个投影仪和一个工业相机，投影仪投射多幅(至少三幅)具有特定相移的正弦波条纹到被测物体表面，然后使用工业相机拍摄被物体表面反射回来的条纹图像。由于物体表面不同的高度将导致正弦波条纹发生不同程度的形变，通过条纹分析和相位提取算法计算正弦波条纹中的相位信息，最终利用相位-高度转换公式计算物体的高度分布，重构物体三维信息。相移法因为投射了多幅条纹图像来获取物体的高度信息，因此具有非接触、高精度和高鲁棒性等优点。但也因为需要投射多幅条纹图像，相移法要求被测物体在测量过程中保持静止不动。如果被测物体发生移动，多幅条纹图像间的物体图像将发生偏移，物体上同一点的相移量也将发生变化，这将导致相位提取这一关键步骤发生计算错误，物体三维重构失败。

哈佛大学团队S.Zhang和S.T.Yau对传统相移法做出改进，提出2+1式相移法来测量运动物体(High-speed three-dimensional shape measurement system using amodified two-plus-one phase-shifting algorithm)。由于传统相移法的三维重构要求至少投射三幅正弦波条纹图像到物体表面，这是导致被测物体在测量过程中不能发生运动的主要原因。投射的条纹图像越多，对静止物体进行三维重构的精度越高，系统鲁棒性越强，但物体运动引起的误差越严重。因此，减少投影条纹图数量可以显著减轻由物体运动引起的测量误差，该算法通过投射两幅正弦波条纹图像和一幅无条纹的背景光图像来测量运动物体。由于被测物体的三维信息仅包含在两幅正弦波条纹图像中，在一定程度上减轻了物体运动造成的测量误差。然而，该方法没有从根本上完全解决运动物体三维测量中存在的问题。

华中科技大学团队E.Hu和Y.He提出改进的FTP方法来测量匀速同方向的二维运动的物体(Surface profile measurement of moving objects by using an improvedπphase-shifting Fourier transform profilometry)。此方法将两幅相移为π的正弦波条纹图像并列合并成一幅图像投射到物体上，当物体做匀速同方向的运动依次通过两幅条纹图时，使用逐线扫描相机分别进行拍摄，此时就获得了两幅相移为π的物体条纹图像。为了找到两幅图像中物体的对应关系，该方法要求物体做匀速同方向的二维运动，且运动方向与线扫描相机的扫描方向垂直。此方法依然需要两幅条纹图像来重构物体，并且物体只能做匀速同方向的二维运动。

Lei Lu等人提出了一种采用相移法来提高移动物体三维测量精度的方法(Newapproach to improve the accuracy of 3-D shape measurement of moving objectusing phase shifting profilometry)，通过分析物体的二维运动对物体条纹图的影响，得到新的带有物体运动信息的三维重构模型。该模型在已知物体二维运动的旋转平移矩阵的前提下，可对二维运动的物体进行精确三维重构。但该方法在追踪物体运动时使用标记点法，需事先将标记点粘贴于物体表面，不能完全实现测量的自动化。