採用顏色編碼提高正交複合光柵位相測量輪廓術的動態特性的製作方法

2023-05-30 17:14:06

專利名稱：採用顏色編碼提高正交複合光柵位相測量輪廓術的動態特性的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學三維傳感技術，特別是涉及基於位相測量輪廓術方法的採用顏色編碼的正交複合光柵實現對物體的實時三維面形的測量。
二背景技術：
三維面形測量，在機器視覺、生物醫學、工業檢測、快速成型、影視特技、產品質量控制等領域具有重要意義。光學三維傳感技術，由於其具有非接觸、精度高、大面積測量、易於自動控制等優點獲得廣泛的研究和應用。現有的光
學三維傳感方法主要包括三角測量法、莫爾條紋法(Moir6 Topography,簡稱MT)、傅立葉變換輪廓術(Fourier Transform Profilometry,簡稱FTP)、空間相位檢測術(Spatial Phase Detection,簡稱SPD)、位相測量輪廓術(Phase MeasuringProfilometry，簡稱PMP)等，這些方法都是通過對受三維物體面形調製的空間結構光場進行解調製，來獲得物體的三維面形信息。其中最常用的空間結構光場三維傳感方法是傅立葉變換輪廓術和位相測量輪廓術。傅立葉變換輪廓術是通過對變形條紋圖像進行傅立葉變換、頻域濾波和逆傅立葉變換等步驟實現的。傅立葉變換輪廓術只需要用一幀條紋圖來重建三維面形，實時性較好，可以用於動態過程的三維傳感；但由於其涉及到濾波操作，頻譜混疊會降低測量精度，該方法對環境光也比較敏感。位相測量輪廓術則需要從多幀相移條紋圖形來重建三維面形，具有很高的精度，但由於採用多次相移，實時性較差。基於正交複合光柵的位相測量輪廓術綜合了位相測量輪廓術和傅立葉變換輪廓術的優點，使用一幀條紋就可以重建物體的三維面形，並能達到較高的精度要求；但該方法由於從一幀條紋中提取三幀以上的相移條紋，受到投影系統和成像系統空間帶寬積的限制，解調出來的相移條紋具有較小的灰度動態範圍，降低了位相提取和三維測量的精度，應用本發明提及的方法就可以解決這一關鍵技術難題。三
發明內容
本發明的目的則是針對對一幀正交複合條紋進行解碼相移條紋灰度變化範圍較低的缺陷，提出一種在三維傳感技術測量中採用顏色編碼提高正交複合光柵位相測量輪廓術的動態特性的方法。這種方法能非常好地做到擴大相移條紋的灰度域，實時獲得物體表面變形條紋分布的圖像信息，具有較高的測量精度，能真正地實現動態和瞬態測量。
本發明的目的是採用下述技術方案來實現的
採用計算機設計編碼產生所需要的彩色光柵圖案，即對透射光場進行面結構和顏色編碼，然後運用彩色數字投影設備將光柵圖案投影在物體上，降低了正交複合光柵位相測量輪廓術對系統空間帶寬積的要求。
本發明與現有技術相比有如下優點
1. 本發明使用顏色編碼的正交複合光柵，擴大了相移條紋的灰度域，提高了正交複合光柵位相測量輪廓術的測量精度。
2. 同樣是獲取一幀變形條紋圖案，本發明相比傅立葉變換輪廓術具有更高的測量精度；而相比位相測量輪廓術則不需要進行相移，以及不需要採集多幀變形條紋圖案。
3.本發明通過計算機軟體可以靈活設計所需要的彩色光柵編碼，因此可以
在很短的時間內得到所需要的光柵圖案。
四

圖1位相測量輪廓術的光路示意圖。
圖2通過計算機設計編碼的彩色正交複合光柵。
圖3受到物體面形調製的彩色正交複合光柵變形條紋。
圖4用上述技術方案恢復的物體。
五具體實施例方式
下面結合附圖、工作原理對本發明作進一步詳細說明。
先說明用正交複合光柵位相測量輪廓術實現實時三維面形的測量。用正交複合光柵實現實時三維面形測量的光路與傳統的位相測量輪廓術的光路相似。圖1 是PMP方法的投影光路，《和A是投影系統的入瞳和出瞳，/,和^是成像系統 的入瞳和出瞳。成像光軸垂直於參考平面，並與投影光軸的夾角為e，它們相交 於參考平面上的O點，"為探測器光心到投影設備光心之間的距離，/為探測器 光心到參考平面之間的距離。
用計算機設計一組滿周期等步相移光柵，其投影強度像表示為
7"o(x,7) = a + 6cos(2;n7少；；一2朋/jV) ， ("^i，2…，AO (1)
"表示直流偏置，6M表示條紋對比度，將這組等步相移光柵分別調製在一 組載頻正弦光柵上，載頻光柵的柵線方向和相移光柵的柵線方向垂直，將各個
調製成分疊加，得到的正交複合光柵的投影強度像為
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頻率&為載頻正弦光柵的頻率，c為正交光柵的直流偏置，"/c為條紋對比
度。當一幀正交複合光柵圖案被投影到物體表面時，不考慮物體的反射率和環
境光強度，CCD得到的變形條紋可以表示為
/(x，少)=c + c/'ZL" + 6cos(2;t773^十^一2朋/A0j'cos(2;z^"x) (3)
其中-為物體的高度引起的相移光柵條紋的相位變化。對(3)進行二維快速 傅立葉變換(FFT)，得到的頻譜(《，7)如下-/附(")=J]/"力e，(—)血辦
formula see original document page 5formula see original document page 6(4)
式中f，7為空間頻率，從(4)式可知/(x,力經過FFT後得到的頻譜圖中一共 有6iV + l個的頻譜成分，其中"&7)為攜帶背景信息的零頻；含有;;,的才是攜帶
相移信息的頻譜。為了能夠有效提取出相應的相移光柵，要求儘可能的使各個 頻譜成分相互獨立，沒有混疊，因此可通過選擇合適的載頻光柵的頻率來使各 個頻譜在頻譜圖中儘量獨立。當滿足上述條件時，選擇適當的濾波器，可從整 個頻譜中提取第"個相移光柵變形條紋的頻譜成分 1
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對(5)進行快速逆傅立葉變換(IFFT)得4，艮P:
formula see original document page 6(5)
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(6)
,&是一虛數，對；取模即可解調出一相移光柵變形條紋i,M^
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(7)
可以看出，從相移正交光柵中解調出的相移變形光柵/皿&與用傳統的滿周 期等步位相測量輪廓術直接獲取的相移變形光柵像/。(;c，力只是在強度上有一個 倍數關係。因此，可以用傳統的位相測量輪廓術的方法對解調後的變形光柵像進行處理，從而獲得物體的三維面形分布。
下面說明顏色編碼的原理。由於投影系統和成像系統空間帶寬積的限制， 從正交複合條紋中分離出來的相移條紋只有少量的灰度級次，相移的次數越多， 相移條紋的灰度域越小，這嚴重地影響了位相提取和三維重建的精度。由於顏 色具有較高的動態範圍，可以用顏色替代光強對物體的三維信息進行傳遞，即
對正交複合光柵的條紋像進行顏色編碼。如果紅、綠、藍三基色的色值範圍是[o， 255]，即8位bit的數據，理論上講，彩色數字投影儀總共可以投出224種顏色， 考慮到噪聲和彩色攝象機的響應特性，只選取其中2"種顏色，即取8位bit數據 的前5位。將(2)式對應的條紋像強度分成215等份，讓每一種強度值對應一種顏 色，建立査找表。彩色攝象機接收到變形的彩色條紋，根據查找表找到每種顏 色對應的光強值，按照傳統的正交複合光柵位相測量輪廓術，可以獲得物體的 三維面形。
圖2是用計算機設計生成的彩色正交複合光柵。
圖3是受到物體面形調製的彩色正交複合光柵變形條紋。
圖4是用上述技術方案恢復的物體。
權利要求
1.一種適用於三維重建中採用顏色編碼提高正交複合光柵位相測量輪廓術動態特性的方法，其特徵在於使用數字投影儀器，將經過顏色編碼的正交複合光柵的模板圖案投影到物體表面，用攝像裝置記錄下變形的光場圖像，對獲得的光場圖像進行處理從而得到物體瞬時的三維面形分布。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於採用24位位深的RGB顏色編 碼代替傳統的8位位深的灰度編碼，並考慮RGB三原色的串擾，實現15位位 深顏色編碼，有效提高提高正交複合光柵位相測量輪廓術的動態特性。
3. 按照權利要求l所述的方法，其特徵在於所說的經過顏色編碼的正交復 合光柵的模板圖案，是指運用計算機設計編碼的投影面結構調製模板，包括正 交調製正弦光柵、正交調製羅奇光柵等編碼模板。
4. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所說的對獲得的變形光場圖像 進行處理，是利用快速傅立葉變換的方法對變形條紋進行顏色解碼、傅立葉變 換、濾波、逆傅立葉變換、相位提取和展開等處理和操作，目的是通過解調相 位的方法獲取物體的面形分布，也包括利用空間位相檢測方法對變形光場進行 處理，獲取物體的面形分布。
5. 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於採用顏色編碼提高正交複合光 柵位相測量輪廓術的動態特性，研究物體的瞬間狀態，進行模式識別或提取物 體的某些特徵參數，如面形、姿態、變形量、特徵點距離等。
全文摘要
本發明是三維傳感技術中採用顏色編碼的正交複合光柵位相測量輪廓術對物體的三維面形和變形進行實時測量的方法。運用計算機進行設計編碼，採用彩色數字投影儀，將顏色編碼的面結構調製模板瞬時成像在物體表面上，再用彩色攝像裝置記錄下顏色編碼的物體變形條紋圖，隨後對條紋圖進行顏色解碼獲取具有215給灰度等級的正交複合光柵，使正交複合光柵的動態特性由28位深提高到215位深，能夠精確地恢復出物體的三維面形，進一步分析數據處理結果可以獲得諸如物體變形等一些數位化信息。本發明可以用於具有漫反射特性的物體表面特徵的測量研究。本發明具有測量精度高，響應時間快，能夠實時獲取物體的三維面形數據等優點。
文檔編號G01B11/25GK101655358SQ20091005984
公開日2010年2月24日 申請日期2009年7月1日 優先權日2009年7月1日
發明者何宇航, 劉元坤, 向立群, 張啟燦, 曹益平, 蘇顯渝, 陳文靜 申請人:四川大學