[发明专利]基于条纹标定的三维形貌测量方法

说明书

一种基于条纹标定的三维形貌测量方法，通过将两台相机分别设置于投影仪的同水平面两侧，将被测物体设置于两台相机的景深范围，通过投影仪将编码条纹图像投影至被测物体的设有标定板的表面，同时由两台相机采集经被测物体调制后的条纹图像，得到条纹图像的展开相位图；再通过坐标映射得到两台相机之间的初步外部参数以及两台相机各自的初步内部参数，利用相位匹配点加强对极几何约束并基于相点误差进行加权的方法对初步外部参数和初步内部参数进行优化，最后利用双目视觉原理计算得到被测物体的表面形态。本发明能够兼顾精度与便捷性，标定速度快，结构简单；采用远小于被测结构的标定板进行标定，大大提高了测量过程的简便性和安全性；结合双目式的条纹投影法以及发明的目标函数，极大地提高大面积结构的形貌测量精度和稳定性。

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量领域的技术，具体是一种用于大面积结构的基于条纹标定的三维形貌测量方法。

背景技术

目前，三维形貌主要通过光学测量技术实现，其中较为常用的光学测量方法包括结构光方法，其通过投影仪对光源进行光强或光谱关于相位的种码，再由相机获取物体表面相位场分布信息，基于立体视觉原理测算出待测物表面的空间坐标。使用投影条纹法测量表面三维形貌测量，其测量结果受到曝光度、相位求解、相机分辨率、投影仪分辨率等诸多因素的影响，其中相机参数的标定是影响三维重建结果的主要原因之一。根据是否需要标定参照物，相机标定可分为现有的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。摄像机自标定方法不需要参照物，但通常需要检测出图像中的平行线才能对相机内部参数进行高精度求解，或对内部参数进行简化或假设，影响其标定精度。同时，自标定法需要参照标尺才能确定测量表面的尺度。投影条纹测量系统针对的测量表面不一定具有平行线，也不一定本身含有参照标尺，因此采用参照物的现有的摄像机标定方法更加适用于高精度、大面积的投影条纹测量。然而，在使用参照物进行相机标定时，一般使用相对测量视场大小尺度适当的标定参照物，而在大面积标定时，使用足够大的标定板会带来制作、使用上的困难。然而如果采用常规大小的标定板，在角点检测误差相同的情况下，成像面上棋盘格相对尺度越小，角点检测引起的相对坐标相对误差就会被放大，进而对标定的精度带来影响。此外，在实际工程应用中，发现使用常规大小标定板标定会造成三维重建结果不稳定，测算出的形貌有差异。

发明内容

本发明针对现有技术针对大面积结构的测量需要多次投影，使得标定过程复杂耗时以及对标定参照物要求过高，检测过程精细度要求较高的问题，提出一种基于条纹标定的三维形貌测量方法，能够兼顾精度与便捷性，标定速度快，结构简单；采用远小于被测结构的标定板进行标定，大大提高了测量过程的简便性和安全性；结合双目式的条纹投影法以及发明的目标函数，极大地提高大面积结构的形貌测量精度和稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种三维形貌测量的条纹标定方法，通过将两台相机分别设置于投影仪的同水平面两侧，将被测物体设置于两台相机的景深范围，通过投影仪将编码条纹图像投影至被测物体的设有标定板的表面，同时由两台相机采集经被测物体调制后的条纹图像，得到条纹图像的展开相位图；再通过坐标映射得到两台相机之间的初步外部参数以及两台相机各自的初步内部参数，利用相位匹配点加强对极几何约束并基于相位匹配点误差进行加权的方法对初步外部参数和初步内部参数进行优化，最后利用双目视觉原理计算得到被测物体的表面形态。

为保证两台相机分别与投影仪和被测物体在空间上呈三角测量关系，投影仪与两台相机的视场均能够全部覆盖所述的被测物体的待测表面。

所述的编码条纹图像是指：正弦水平条纹图像和正弦垂直条纹图像，编码产生十字线图像，其中：水平条纹图像和垂直条纹图像的数量为M，M≥3；每幅条纹图像存在步长为2pi/M 的相移增量，利用多步相移的方法，能够更加精确地提取相位信息，有效地减少图像噪声的影响，从而获得较佳的测量精度。

所述的水平条纹图像与垂直条纹图像的数量相同，通过分别投影相同数量的水平条纹图像与垂直条纹图像，能够有效地减少图像噪声的影响，从而获得较佳的测量精度。