[发明专利]一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术

说明书

基于光场的三维测量由于有较好的精度、速度和检测范围成为工业三维检测的主流技术之一，和正弦条纹相位移轮廓术结合可以有效提高检测精度。本发明提出了一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术，该方法首先基于微透镜阵列的光场成像系统收集一组或者多组正弦相移条纹，图像校准后计算出每个子孔径图像的绝对相位，基于相位贡献权重的选择融合的子孔径，然后结合了角度、距离和相似度的融合相位，相位映射到高度后通过矫正填充到点云数据，最后通过多角度的点云融合填充到点云矩阵，进一步，提出了与之对应的微透阵列校准标定、相机标定和相位‑高度映射标定方法。

技术领域

本发明涉及三维光学检测技术领域，尤其涉及一种基于多角度正弦条纹光场融合的相移轮廓术，可以针对漫反射表面极微小对象进行高速高精度的三维检测。

背景技术

为了更好地实现工业生产中的质量过程控制，光学检测系统是许多制造和质量控制过程中的一个关键部分。前沿制造领域目前对光学检测系统提出了挑战性的要求，即高吞吐量并能检测微小缺陷、可适应复杂检测表面，以及移动物体的精确三维高度测量。光场三维测量由于微米级的测高精度、毫米级的测高范围和较快的检测速度成为工业三维检测的主流方案之一。

传统光场用自然光或均匀光照明下采集的光场图像进行三维重建，称为被动光场。被动光场技术对环境无特殊要求，系统也较为简单，但对于弱纹理表面的结构重建不够理想，如果采用结构光照明技术向物体和场景的表面投射含有深度编码信息的结构光 ，则可以无视表面纹理而产生主动编码，从而改善三维重建的效果。

在实际的工业三维检测领域，由于不同的光入射角度和不同表面的反射率导致图像局部过亮或过暗，检测目标之间的阴影遮挡等问题容易产生检测死角和错误数据，基于单目视觉下的光场获取的信息不够全面，可能造成较大的测量误差。

发明内容

本发明要实现工业三维高速高精度的检测，首先投影一组或者多组相移条纹，基于微镜阵列的光场成像系统进行拍照，每个子孔径经过图像校准之后计算出相对相位和绝对相位，基于相位贡献权重的子孔径选择算法选择待融合的子孔径，结合角度、距离和相似度的子孔径融合相位，相位映射到高度后通过矫正填充到点云数据，最后通过多角度的点云阵列形成最终点云矩阵，进一步，提出了与之对应的微镜阵列校准标定、相机标定和相位-高度映射标定方法，具体如下。

S₁、本发明提供的一种正弦条纹光场投影及拍摄装置，采用投影机构投影一组或者多组正弦条纹到被测物表面，光线反射后透过一个微透镜阵列被面阵相机收集，此时相机不仅收集了每一条光线的光强信息，还收集每一条光线的角度信息，得到多个不同角度的子孔径条纹光图像，基于双平面模型对四维光场进行参数化，一个四维光场可以参数化为L_ux，其中x = (x, y)^T, u =(u, v)^T分别代表光场的空间坐标和角度坐标，该公式的表征为光线在两个平面的横截面。

S₂、本本发明提出一种子孔径图像进行校准的方法，由于微透镜阵列于CCD平面不可能完全平行，子孔径图像会产生一定的偏移，需要提前进行图像校准以获得校准参数，基于校准参数对图像进行修正便于后续处理。

S₃、本发明采用正弦相移法进行相位求解，多幅条纹图像之间存在的相关性可以有效地降低噪声的影响，提高了相位获取的精确度和准确性，假设投影了N幅正弦条纹图像, 令I_i(x,y) 表示在像素坐标(x, y)第i幅条纹图像的光强。

其中，a和b分别是记录光场的背景辐射强度和调制辐射强度，是受物体高度调制的相位信息, 是第i幅条纹的相位移，通过条纹分析技术可以解调出相对相位,公式如下。

通过反切运算后相对相位的值域为(-π，π)。如果相位超过一个相位周期，只能够得到被压缩在一个相位周期内的相位，这里需要对相位进行展开求得绝对相位，相位展开需要确定条纹级次K, 如下公式。