專利名稱：輪廓測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種輪廓測量方法，特別是涉及一種基于多頻率正弦條紋投影的三維 輪廓測量方法。
背景技術：
現(xiàn)有的三維輪廓測量方法多種多樣，常用的例如反傅里葉法或多步相位移法等 等。但在這些方法中，被測物表面的劇烈變化往往會對相位分析產生干擾，在測量精度方面 也存在著不足，因此很難實現(xiàn)對復雜外形被測物表面輪廓的高精度測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是為了克服現(xiàn)有技術中的輪廓測量方法精度不足的缺 陷，提供一種能夠對復雜外形被測物表面輪廓進行大范圍且高精度測量的輪廓測量方法。本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種輪廓測量方法，其特點 在于，該方法采用一測量裝置，該測量裝置包括一相機以及一投影單元，該方法包括=S1、進 行該相機的標定；s2、利用該投影單元生成正弦條紋Mi, i = 1 η，η為大于1的正整數(shù)，該 些條紋的頻率 F(Mi)滿足 F (M1) = 1/2F(M2) = 1/22F(M3) = ... = 1/2 (『印(Mn)，利用校正 板對該些條紋Mi分別進行相位-高度標定；S3、將M1投影在被測物上，移動該測量裝置使該 相機FOV覆蓋的被測物表面上各點到該測量裝置的距離均在M1的測量范圍內，獲取由該相 機觀測到的各觀測點的相位并對其解包裹，根據(jù)相位_高度標定由經過解包裹的該各觀測 點相位求得該各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機標定求得該各觀測點的三維坐標；S4、移動 該測量裝置使被測物的至少部分表面進入Mk的測量范圍，此處取k = 2，然后將Mlri投影在 被測物上，獲得該部分表面對應的各觀測點的三維坐標并模擬出輪廓曲面，獲取Mk的每個 相位投影面與該輪廓曲面的各交點對應的各觀測點的相位并對其解包裹，根據(jù)相位_高度 標定由經過解包裹的該各觀測點相位求得該各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機標定獲得該 各觀測點的三維坐標，而后將k的取值增加1 ;S5、循環(huán)執(zhí)行步驟S4，直至對被測物的輪廓測 量達到預定的精度。較佳地，該相位_高度標定過程包括以下步驟Sn、將Mi投影于校正板上，移動該 測量裝置分別至一第一位置、一第二位置及一第三位置，在該三個位置處分別獲取同一觀 測點的相位01、02、03，其中該三個位置均在Mi的測量范圍內；S12、在該第一位置的相 位圖中取一與條紋方向相交的直線，在該直線上取點ΡΓ、P2’、P3’，并使該ΡΓ、P2’、P3’點 的相位分別等于01、02、03，記錄該P1’、P2’、P3’點的坐標。較佳地，根據(jù)相位-高度標定求得觀測點的高度坐標的過程包括以下步驟
521、在該直線上取點Pc’，并使該Pc’點的相位等于該觀測點的經過解包裹的相位；
522、設該觀測點的高度坐標為Hc，由公式[(H1-H3) * (H2-HC) ] / [ (H2-H3) * (Hl-Hc)]= [(PI，-P3，)*(P2，-Pc，)]/[(P2，-P3，)*(P1，-Pc，)]求得 He，其中 H1、H2、H3 為該測量裝 置分別處于該三個位置時在步驟S11中所述的該同一觀測點的高度坐標。
較佳地，步驟S4、S5的解包裹過程中定義相位還原原點的方法為設觀測點的相位 為0，通過計算[(02-0)/2*π]的值確定該觀測點對應的相位還原原點。較佳地，利用反傅里葉法或多步相位移法獲取由該相機觀測得的各觀測點的相 位。本發(fā)明的積極進步效果在于本發(fā)明以寬頻條紋的測量結果為向導，調整相機位 置以精準對焦，從而令測量區(qū)域的條紋投影更加清晰，前一步較寬頻條紋的測量用以輔助 下一步較窄頻條紋的相位還原，由此便排除了被測物輪廓劇烈變化對相位分析產生的干 擾，能夠準確地判斷相位還原原點并實施解包裹，從而使測量精度得到了提高。在整個測量 過程中，不斷地調整相機使之對焦于更加細致的條紋，并且采用不同方向的投影，通過循環(huán) 迭代的方法實現(xiàn)對被測物每個高度、每個待測面的全方位精密測量。另外，相對于傳統(tǒng)的分 區(qū)域拼接方式，本發(fā)明能夠更快速地實現(xiàn)對被測物的全域檢測，避免拼接誤差。


圖Ia為本發(fā)明采用的測量裝置的第一示意圖。圖Ib為本發(fā)明采用的測量裝置的第二示意圖。圖2為本發(fā)明采用的校正板的示意圖。圖3為本發(fā)明采用的相位_高度標定的示意圖。圖4為本發(fā)明中下一步較窄頻條紋的相位投影面與利用上一步較寬頻條紋擬合 出的輪廓曲面的相交示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。如圖Ia和圖Ib所示，本發(fā)明采用的測量裝置主要包括兩個部分，第一部分為一 裝設有低畸變率鏡頭的照相相機，第二部分為一投影單元，該投影單元可以采用一投影儀 (圖Ia的情況)，也可以采用一由照明光源、準直鏡組、正弦光柵及投影鏡頭構成的光柵投 影裝置(圖Ib的情況)。該測量裝置固定在如圖Ia和圖Ib所示的Z軸上，并且可以在馬 達的帶動下沿Z軸移動，以調整其與載物臺上的校正板或被測物的距離。本發(fā)明的輪廓測量方法要利用至少兩個不同頻率的正弦條紋，該些正弦條紋由上 述投影單元生成，例如通過采用至少兩個不同頻率的正弦光柵實現(xiàn)。設該些正弦條紋為Mi, 其中i = i η，η為大于丨的正整數(shù)，在實際測量時根據(jù)測量精度的要求來確定循環(huán)迭代 的輪數(shù)，輪數(shù)既定，η的數(shù)值也便可以相應確定了。在本實施例中，要求該些條紋的頻率成倍 增加，即該些條紋的頻率 F(Mi)滿足 F(M1) = 1/2F(M2) = 1/22F(M3) = ... = 1/2 (rfF (Mn)。本發(fā)明通過將正弦條紋投影在被測物表面上，然后通過相機對各個觀測點進行觀 測，并對觀測數(shù)據(jù)進行處理，以最終獲得各個觀測點的三維空間坐標，從而重建出被測物的 三維輪廓。在上述的測量原理下，每個條紋Mi都是具有一定的測量范圍的。相機觀測到某 一條紋投影在不同距離的被測面上會產生一定的相位移，設在第一被測面上的相位為pl， 在第二被測面上的相位為P2，則相位移為pl_p2，該相位移的大小可能未超過一個周期，即
pl-p2| < 2* π，也可能超過一個周期，即|pl-p2卜0+2m*7i，此處對m的識別也稱為定義相位還原原點。單頻率條紋投影的方式會受此特性影響，當不能精確定義相位還原原點時， 精確測量范圍便受到了限制?？紤]到上述因素，本發(fā)明僅要求最寬周期的條紋M1投影在被 測物上時相位移限制在一個周期內，對其余相對較窄周期的條紋禮(1 > 1)則不作相位移 大小的限制，相應地，在循環(huán)迭代的過程中利用前一步較寬頻條紋的測量來輔助下一步較 窄頻條紋測量時的相位還原，從而可以準確地確定相位還原原點，繼而準確地進行相位去 包裹，由此便排除了被測物輪廓劇烈變化時對相位分析產生的干擾，提高了測量精度。另 外，因為相機的分辨率有限，頻率較高的條紋投影只能在較小的距離范圍內被相機清晰識 別。因此綜上所述，在本發(fā)明的測量系統(tǒng)中每個頻率的條紋投影Mi都對應有一定的測量范 圍 MRANGE (Mi)。下面對本發(fā)明的輪廓測量方法進行詳細說明S1、進行該相機的標定，以獲取該相機的內外參數(shù)。S2、對每個正弦條紋Mi建立相位_高度標定，即通過相機識別校正板(如圖2所 示)上的圓圈中心，并利用相機的標定參數(shù)計算出校正板平面的位置d，該種相位_高度標 定方法可以克服Z軸馬達以及載物臺平行度的誤差。其中，該步驟S2中的相位_高度標定過程具體包括以下步驟=S11JfMi投影于平 放在載物臺上的校正板上，啟動Z軸馬達，移動該測量裝置分別至一第一位置、一第二位置 及一第三位置，處在該三個位置時該測量裝置與校正板之間的距離分別為dl、d2、d3，保證 dl、d2、d3 e MRANGE(Mi),通過相機分別在該三個位置處拍攝條紋Mi的投影圖案，然后利用 反傅里葉法或多步相位移法獲取同一個觀測點(u0，v0)在這三種情況下的相位01、02、 03; S12、如圖3所示，在位置dl的相位圖中取一條與條紋方向垂直或相交(夾角應大于 45° )的直線le，在該直線Ie上取點P1’、P2’、P3’，使該P1’、P2’、P3’點的相位分別等于 01、02、03，記錄該Ρ1，、Ρ2，、Ρ3，點的坐標。S3、取下校正板并將被測物置于載物臺上，利用M1對被測物投影，移動該測量裝置 使該相機FOV(Field of View，觀測區(qū)域)覆蓋的被測物表面上各點到該測量裝置的距離均 在MRANGE(M1)內。而后，使用反傅里葉法或多步相位移法獲取相機觀測到的各個觀測點的 相位，并對該些相位解包裹，接著將該些經過解包裹的相位代入上述相位-高度標定中確 定的相位-高度關系中，便可以求得各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機的標定參數(shù)進一步 求得各觀測點的三維空間坐標，繼而便能夠重建出相機觀測區(qū)域中被測物的三維輪廓。至 此，已經利用條紋M1對被測物的輪廓完成了一輪粗略的測量。其中，當在步驟S2中采用了上述的相位_高度標定方法時，相應地，由觀測點的 經過解包裹的相位計算得出該觀測點的高度坐標的方法如下S21、仍如圖3所示，設某一觀 測點的經過解包裹的相位為0C，在該直線Ie上取點Pc’，使該Pc’點的相位等于0C;S22、 設該觀測點的高度坐標為He，則Hc可由公式[(Hl-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(Hl-Hc)]= [(PI，-P3，)*(P2，-Pc，)]/[(P2，-P3，)*(P1，-Pc，)]求得，其中 H1、H2、H3 為該測量裝置 分別處于上述三個位置dl、d2、d3時上述觀測點(uO，v0)的高度坐標，而諸如(ΡΓ -P3’ ) 等等表示的則是相位圖面中的歐氏距離。解得該觀測點的高度坐標Hc后，通過相機內部參 數(shù)模型即可得出該觀測點在相機空間中的三維坐標(X，1，He)。其中，當將M1投影在被測物上時，若被測物表面變化過大，超出了 MRANGE (M1)，則 可以對被測物采取分塊測量的方式，或是調寬條紋周期、并返回步驟S2重新進行標定。
S4,當該測量裝置處于上一步驟中的位置時，若被測物表面上所有的點到該測量 裝置的距離都超出了 MRANGE(Mk)(第一次執(zhí)行步驟S4時取k = 2，之后每再一次執(zhí)行步驟 S4時均如下所述地將k的取值增加1)，則沿Z軸移動該測量裝置，使被測物的至少部分表面 π進入MRANGE (Mk)(第一次執(zhí)行步驟S4時即MRANGE (M2)，之后每再一次執(zhí)行步驟S4時依次 為MRANGE (M3) >MRANGE (M4)...)。在該位置處再次將Mlri (第一次執(zhí)行步驟S4時即M1,之后每 再一次執(zhí)行步驟S4時依次為Μ2、Μ3...)投影在被測物上，然后通過與步驟S3中相同的方法 再次計算獲得此時各觀測點的高度坐標，從而算出在本步驟中該測量裝置沿Z軸的準確移 動距離，以避免在該測量裝置的移動過程中產生誤差。根據(jù)該測量裝置的準確移動距離，推 算出該部分表面π上的各點所對應的三維空間坐標，并對該各點樣條插值擬合出輪廓曲 面r。如圖4所示，在步驟S2的標定過程中，可以得到條紋Mk(第一次執(zhí)行步驟S4時即M2, 之后每再一次執(zhí)行步驟S4時依次為M3、M4...)的每個相位投影面Ρ(0)，設該些相位投影面 與該輪廓曲面r的交點集合為Ε，若點eeE，根據(jù)其投射在相機空間(u，ν)中的位置，便可 以使用反傅里葉法或多步相位移法得到相應觀測點的相位0，通過計算m=[(02-0)/2*7i] (□表示取最小整數(shù)的運算)，便可以確定相對于參考面該觀測點發(fā)生了多少個整周期的 相位移，從而便可以準確地確定相位還原原點，而后準確地對該觀測點的相位0進行解包 裹，在完成了解包裹之后，便可以采用與步驟S3中所述相同的方法利用相位-高度標定以 及相機標定得到該觀測點的三維空間坐標。以此類推，逐漸獲取全部區(qū)域中的各個觀測點 的空間坐標，至此便完成了一輪相比上一步驟中的結果而言精度更高的輪廓測量。最后，將 k的取值增加1。其中，在該步驟S4中采用的定義相位還原原點的方法，使得對于任何一個觀測點 均可準確地單獨計算其相位還原原點，不會受到物體表面變化劇烈而引起的相鄰觀測點之 間相位斷裂(相位變化超出一個整周期)的影響，使得測量結果更加可靠。S5、循環(huán)執(zhí)行步驟S4,直至對被測物的輪廓測量達到預定的精度為止。上述步驟51 S5的具體實現(xiàn)，為本領域技術人員公知的技術手段，并非本發(fā)明的 發(fā)明點所在，在此不再贅述。綜上所述，本發(fā)明以寬頻條紋的測量結果為向導，調整相機位置以精準對焦，從而 令測量區(qū)域的條紋投影更加清晰，前一步較寬頻條紋的測量用以輔助下一步較窄頻條紋的 相位還原，由此能夠準確地判斷相位還原原點并實施解包裹，從而使測量精度得到了提高。 在整個測量過程中，不斷地調整相機使之對焦于更加細致的條紋，并且采用不同方向的投 影，通過循環(huán)迭代的方法實現(xiàn)對被測物每個高度、每個待測面的全方位精密測量。另外，相 對于傳統(tǒng)的分區(qū)域拼接方式，本發(fā)明能夠更快速地實現(xiàn)對被測物的全域檢測，避免拼接誤 差。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些 僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背 離本發(fā)明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更 和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種輪廓測量方法，其特征在于，該方法采用一測量裝置，該測量裝置包括一相機以及一投影單元，該方法包括S1、進行該相機的標定；S2、利用該投影單元生成正弦條紋Mi，i＝1～n，n為大于1的正整數(shù)，該些條紋的頻率F(Mi)滿足F(M1)＝1/2F(M2)＝1/22F(M3)＝...＝1/2(n 1)F(Mn)，利用校正板對該些條紋Mi分別進行相位 高度標定；S3、將M1投影在被測物上，移動該測量裝置使該相機FOV覆蓋的被測物表面上各點到該測量裝置的距離均在M1的測量范圍內，獲取由該相機觀測到的各觀測點的相位并對其解包裹，根據(jù)相位 高度標定由經過解包裹的該各觀測點相位求得該各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機標定求得該各觀測點的三維坐標；S4、移動該測量裝置使被測物的至少部分表面進入Mk的測量范圍，此處取k＝2，然后將Mk 1投影在被測物上，獲得該部分表面對應的各觀測點的三維坐標并模擬出輪廓曲面，獲取Mk的每個相位投影面與該輪廓曲面的各交點對應的各觀測點的相位并對其解包裹，根據(jù)相位 高度標定由經過解包裹的該各觀測點相位求得該各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機標定獲得該各觀測點的三維坐標，而后將k的取值增加1；S5、循環(huán)執(zhí)行步驟S4，直至對被測物的輪廓測量達到預定的精度。
2.如權利要求1所述的輪廓測量方法，其特征在于，該相位_高度標定過程包括以下步驟S11JfMi投影于校正板上，移動該測量裝置分別至一第一位置、一第二位置及一第三位 置，在該三個位置處分別獲取同一觀測點的相位01、02、03，其中該三個位置均在Mi的測 量范圍內；S12、在該第一位置的相位圖中取一與條紋方向相交的直線，在該直線上取點ΡΓ、P2’、 3’，并使該？1’、？2’、卩3’點的相位分別等于01、02、03，記錄該P1’、P2’、P3’點的坐標。
3.如權利要求2所述的輪廓測量方法，其特征在于，根據(jù)相位_高度標定求得觀測點的 高度坐標的過程包括以下步驟521、在該直線上取點Pc’，并使該Pc’點的相位等于該觀測點的經過解包裹的相位；522、設該觀測點的高度坐標為He，由公式[(Hl-H3)*(H2-Hc)]/[(H2-H3)*(Hl-Hc)]= [(PI，-P3，)*(P2，-Pc，)]/[(P2，-P3，)*(P1，-Pc，)]求得 He，其中 H1、H2、H3 為該測量裝 置分別處于該三個位置時在步驟S11中所述的該同一觀測點的高度坐標。
4.如權利要求2所述的輪廓測量方法，其特征在于，步驟S4、S5的解包裹過程中定義相 位還原原點的方法為設觀測點的相位為0，通過計算[(02-0)/2*π]的值確定該觀測點對 應的相位還原原點。
5.如權利要求1-4中任意一項所述的輪廓測量方法，其特征在于，利用反傅里葉法或 多步相位移法獲取由該相機觀測得的各觀測點的相位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪廓測量方法，其包括S1、相機標定；S2、對條紋Mi分別進行相位-高度標定；S3、將M1投影在被測物上，根據(jù)相位-高度標定求得各觀測點的高度坐標，再根據(jù)相機標定求得該各觀測點的三維坐標；S4、利用前一步較寬頻條紋的測量結果輔助下一步較窄頻條紋解包裹獲取相位，再利用標定數(shù)據(jù)，完成一次更為精確的測量；S5、循環(huán)執(zhí)行步驟S4，直至對被測物的輪廓測量達到預定的精度。本發(fā)明能夠對復雜外形被測物表面輪廓進行大范圍且高精度的測量。
文檔編號G01B11/24GK101936716SQ201010130540
公開日2011年1月5日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權日2010年3月23日
發(fā)明者張棟, 徐亦新, 李強, 盛鵬, 黃豪 申請人:上海復蝶智能科技有限公司