三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法及裝置的製作方法
2023-05-12 01:16:16 1
專利名稱：三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在光學三維形貌測量、結構光技術。在結構光法中，為了提高光柵投射測量的可靠性，需要對光柵進行編碼。本發明涉及用於鏡面反射物體三維形貌測量中的編碼方法及測量裝置。具體講，本發明涉及三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法及裝置。
背景技術：
光學三維測量技術以其高精度、高效率和非接觸的優點在高速檢測、產品開發、質量控制、反向工程、CAD/CAM等領域得到了廣泛的應用和發展。但是，現有成熟技術中，光學三維測量主要針對漫反射物體，而難以有效的測量鏡面物體。然而，在實際生產和科研中， 存在大量鏡面物體，比如光學製造領域的光學元件表面，拋光模具，鏡面等反射成分佔支配地位的物體表面。目前，這類物體的測量一般採用兩種方法一種方法是採用坐標測量機， 這種方法對被測物體有劃傷；另一種是噴塗其表面，改變其鏡面反射的性質，這種方法無疑會增加測量誤差。鏡面物體的三維測量已嚴重落後於快速增長的需求。近年來，在光學三維測量領域中結構光法得到了深入的研究。在鏡面測量系統中， 由LCD顯示器向被測物體表面投射光柵，經被測物體表面調製後，被CCD攝像機接收。根據採集到的變形圖像可以得到被物體面型調製的相位分布，由三維重建算法可以得到物體的三維面型。為了提高光柵投射測量的可靠性，需要對光柵進行編碼。在結構光法中，傅立葉變換輪廓術和相位測量輪廓術都可以使用正弦光柵。傅立葉變換輪廓術只需一幅光柵圖像即可得到相位分布，此方法適合於動態測量，但是，由於頻譜混疊的影響使其精度降低。相位測量輪廓術有較高的測量精度，但其需要向被測物體連續投射多幅圖像，這影響了測量的速度。傳統的複合光柵在一幅光柵圖中包含了多幅相移光柵圖，但從相移光柵中得到正確相位分布的效率不高。如何提高編碼光柵的解析度和抗幹擾能力，在光學三維形貌測量作用起到至關重要的作用。因此，研究一種測量速度快且測量精度高的編碼方法，具有重要的理論和現實意義。
發明內容
為克服現有光柵編碼方法的不足，提供一種用於類鏡面物體三維形貌測量的中心攝動複合光柵投影法、裝置，以提高光學三維測量的編碼光柵的解析度和抗幹擾能力，提高光學三維測量速度的同時又不降低測量精度，本發明採取的技術方案是，三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法，包括如下步驟用四個不同頻率的載波光柵分別調製與其方向垂直的四幀相移正弦光柵，其中對第四幀相移正弦光柵的中心條紋的亮度進行改變，疊加形成中心攝動複合光柵；用LCD顯示器投射中心攝動複合光柵到被測物體上得到受物體面型調製的變形光柵；對變形光柵進行二維傅立葉變換，用合適的帶通濾波器濾波，然後進行傅立葉逆變換並取模值，得到變形的相移光柵條紋；針對頻譜混疊，對相移光柵條紋的背景和對比度進行校正；針對濾波過程的影響，對相移光柵條紋的相移量進行校正；最後利用改進的四步相移法求得摺疊相位，根據加入的攝動信息，得到受被測物體面型調製的相位分布。中心攝動複合光柵的疊加形成，進一步細化為四個載波頻率的倒數呈等差數列； 四幀正弦光柵相移條紋採用滿周期等相移法，即相鄰正弦光柵相移條紋的相移量為η/2 ； 對第四幀正弦光柵的中心條紋的亮度進行改變，使位於中心的條紋包含有不同於其他條紋的編碼息，形成攝動息。對相移光柵條紋的背景和對比度進行校正具體為從參考平面的中心攝動複合光柵像中解調獲得各幀正弦光柵相移條紋，通過頻域濾波獲取條紋的基頻分量，計算出各幀相移條紋相對於第一幀相移條紋的背景和對比度的比例係數，並以此係數對實物測量時解調出來的各幀變形正弦光柵相移條紋的背景和對比度進行校正。對相移光柵條紋的相移量進行校正具體為首先，從參考平面的中心攝動複合光柵中解調出各幀正弦光柵相移條紋，通過頻域濾波的方法獲得條紋的基頻分量，計算出各幀正弦光柵相移條紋相對於第一幀的相移量，然後在實物測量時以此相移量對解調出的各幀變形相移條紋的相移量進行校正。帶通濾波採用窗口法中的harming窗濾波。利用改進的四步相移法求摺疊相位Φ (X，y)的公式為
權利要求
1.一種三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法，其特徵是，包括如下步驟用四個不同頻率的載波光柵分別調製與其方向垂直的四幀相移正弦光柵，其中對第四幀相移正弦光柵的中心條紋的亮度進行改變，疊加形成中心攝動複合光柵；用LCD顯示器投射中心攝動複合光柵到被測物體上得到受物體面型調製的變形光柵；對變形光柵進行二維傅立葉變換，用合適的帶通濾波器濾波，然後進行傅立葉逆變換並取模值，得到變形的相移光柵條紋；針對頻譜混疊，對相移光柵條紋的背景和對比度進行校正；針對濾波過程的影響，對相移光柵條紋的相移量進行校正；最後利用改進的四步相移法求得摺疊相位，根據加入的攝動信息，得到受被測物體面型調製的相位分布。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵是，中心攝動複合光柵的疊加形成，進一步細化為四個載波頻率的倒數呈等差數列；四幀正弦光柵相移條紋採用滿周期等相移法，即相鄰正弦光柵相移條紋的相移量為η/2 ;對第四幀正弦光柵的中心條紋的亮度進行改變，使位於中心的條紋包含有不同於其他條紋的編碼信息，形成攝動信息。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵是，對相移光柵條紋的背景和對比度進行校正具體為從參考平面的中心攝動複合光柵像中解調獲得各幀正弦光柵相移條紋，通過頻域濾波獲取條紋的基頻分量，計算出各幀相移條紋相對於第一幀相移條紋的背景和對比度的比例係數，並以此係數對實物測量時解調出來的各幀變形正弦光柵相移條紋的背景和對比度進行校正。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵是，對相移光柵條紋的相移量進行校正具體為首先，從參考平面的中心攝動複合光柵中解調出各幀正弦光柵相移條紋，通過頻域濾波的方法獲得條紋的基頻分量，計算出各幀正弦光柵相移條紋相對於第一幀的相移量，然後在實物測量時以此相移量對解調出的各幀變形相移條紋的相移量進行校正。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵是，帶通濾波採用窗口法中的hanning窗濾波。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵是，利用改進的四步相移法求摺疊相位Φ(x,y)的公式為
7.如權利要求I所述的方法，其特徵是，中心攝動複合光柵的表達式為
8.—種三維形貌中心攝動複合光柵投影測量裝置，其特徵是，測量裝置放置在光學隔振平臺上，由計算機、微控制器、電機、LCD顯示器、CCD攝像機和精密定位系統等組成，其中精密定位系統由精密位移平臺、精密角位平臺和精密旋轉平臺組成，實現被測物體三自由度運動；被測物體固定在精密運動控制系統的圓形卡盤上，IXD顯示器用於投射光柵編碼條紋到被測物體表面，CCD攝像機用於接收被物體調製的變形光柵，CCD攝像機的光軸方向和IXD顯示器的投射方向一致；計算機向微控制器發送運動指令，微控制器控制電機的運動，電機帶動精密定位系統使被測物體運動到CCD攝像機的視場範圍內，並以合適的角度使CCD攝像機能以最佳方式接收經高反射的被測物體表面調製的變形光柵圖像。
全文摘要
本發明涉及光學三維形貌測量、結構光技術。為提高光學三維測量的編碼光柵的解析度和抗幹擾能力，提高速度的同時又不降低測量精度，本發明採用的方案是，三維形貌中心攝動複合光柵投影測量方法，用四個不同頻率的載波光柵分別調製與其方向垂直的四幀相移正弦光柵，其中對第四幀相移正弦光柵的中心條紋的亮度進行改變，疊加形成中心攝動複合光柵；用LCD顯示器投射中心攝動複合光柵到被測物體上得到受物體面型調製的變形光柵；對變形光柵進行二維傅立葉變換，用合適的帶通濾波器濾波，然後進行傅立葉逆變換並取模值；最後利用改進的四步相移法求得摺疊相位，根據加入的攝動信息，得到受被測物體面型調製的相位分布。本發明主要用於光學測量。
文檔編號G01B11/25GK102589479SQ20121005678
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者劉書桂, 季莉栓, 張宏偉, 李紹輝, 韓淑建 申請人:天津大學