[发明专利]一种连续扫描的结构光三维面形垂直测量方法

说明书

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条纹图探测方向共轴的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，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、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(MoiréTopography，简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)、空间位相检测术(SpatialPhaseDetection,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，因此投影一个正弦光栅(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,WansongLi,andLiqunXiang,Applicationofmodulation measurementprofilometrytoobjectswithsurfaceholes,AppliedOptics,38(7),1999,1153-1158)。在现有的调制度测量轮廓术中，采用傅里叶变换对每帧图片进行单独处理，各个像素点之间的相互影响以及滤波操作导致物体细节信息的丢失，会严重影响测量精度；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，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，不利于其实用性。应用本发明提及的结构光的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，并将N帧(N≧3)相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，再对所采集的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换处理或者对连续N帧(N≧3)图像采用N步相移算法从而实现三维面形测量的方法，不仅测量速度快，而且测量精度高。

发明内容

本发明是针对现有的调制度测量轮廓术中所出现的缺陷：利用傅里叶变换法精度不高以及相移算法所需采集的图片数量多且测量速度慢，提出一种新的垂直测量方法。该方法应用结构光的像面沿垂直方向连续扫描被测物体，将N帧(N≧3)相移的正弦光栅像依次循环成像在被测物体上，在同一光轴方向上实现连续图像采集，再对所采集的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换处理或者对连续N帧(N≧3)图片采用N步相移算法处理，提取条纹的调制度信息，从而实现高精度的三维面形垂直测量。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

在结构光投影装置的像面沿垂直方向连续扫描被测物体的同时，将N帧(N≧3)N步相移的正弦光栅依次循环成像在被测物体上，被测物体置于投影仪在初始位置时光栅成像面与最终位置时光栅成像面之间，CCD相机通过一个半透半反镜实现与投影光轴共轴，同步获取受到物体高度调制的正交光栅图像。对采集到的图片集逐个像素点沿时间轴进行傅里叶变换或者对连续N帧图片作N步相移处理，从而得到正弦光栅像在物体表面的调制度分布，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。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明提出采用连续扫描方式的结构光三维面形垂直测量方法实现高精度三维面形测量，其特征在于任意连续的N帧(N≧3)条纹图相邻条纹之间具有2π/N相位差的关系。该方法只需进行一次扫描测量即可同时采用傅里叶变换和N步相移算法得到调制度值的分布从而实现三维面形的测量，除保留原有调制度测量轮廓术所具有的垂直测量优点外，还具有三维面形高精度、快速度测量的特点，在三维测量技术方面具有良好的应用前景。