專利名稱：一種物體各點獨立測量的多步變頻率投影條紋測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對復(fù)雜非連續(xù)物體面型測量的無需相位解包裹的多步變頻率投影條紋測量方法，屬于光電測量技術(shù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
投影條紋式的光學三維形貌測量方法具有非接觸、測量速度快、效率高和非破壞性等優(yōu)點?？梢杂糜跈C械加工表面、汽車外形、人體等面型參數(shù)的測量，在精密機械、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)文獻搜索發(fā)現(xiàn)，已有的投影條紋光學三維形貌測量方法中根據(jù)對投影條紋的不同處理方法，可以分類為莫爾輪廓術(shù)、相位測量輪廓術(shù)(PMP)、 傅里葉變換輪廓術(shù)(FTP)、希爾伯特變換輪廓術(shù)、小波變換輪廓術(shù)等方法。這些方法都是獲得物體的包裹相位值，然后通過相位解包裹處理來獲得和物體高度信息對應(yīng)的連續(xù)相位值，都需要相位解包裹過程。以最常用的相位測量輪廓術(shù)為例，相位測量輪廓術(shù)是依賴相移法來得到物體的包裹相位圖，再利用解包裹算法得到連續(xù)的相位分布圖。在C.Allan Hobson, JohnT. Atkinson 與 Francis Lilley 在期干丨J Optics and lasers in engineering 發(fā)表的論文((The application ofDigital Filtering to Phase Recovery when Surface Contouringusing Fringe Projection Techniques》中說明，如果待測物體不連續(xù)或者得到的包裹相位圖中噪聲太多，是不可能得到正確的解包裹結(jié)果的。蘇顯渝發(fā)表在Optics and lasers inengineering的論文《Reliability-guided Phase unwrapping Algorithm A review》中提至IJ，陰影、條紋調(diào)制度太低、條紋斷裂、欠采樣等均會造成相位解包裹過程產(chǎn)生錯誤。大部分的解包裹算法都依賴于路徑，例如在蘇顯渝論文《Reliability-guided Phase unwrappingAlgorithm A review》中提到的利用調(diào)制度函數(shù)生成的質(zhì)量圖進行解包裹的質(zhì)量圖導(dǎo)向法解包裹過程。所以，包裹圖包含陰影、條紋斷裂、以及物體不連續(xù)(存在突變)等情況下，無法得到良好的解包裹結(jié)果。而目前的投影條紋面型測量方法大都需要相位去包裹過程，從而造成這些方法難以應(yīng)用于工程中最常見的、具有孤立非連續(xù)區(qū)域物體的測量。本發(fā)明給出了一種可以克服現(xiàn)有方法不足的新方法，通過投影多幅變頻率條紋及使用專門的包裹相位圖處理方法，使得測量過程中無需相位去包裹，物體各點的信息是獨立獲得。本發(fā)明的方法可以用于測量具有孤立非連續(xù)區(qū)域物體的面型信息，可以有效的避免解包裹算法中由于路徑依賴的原因而產(chǎn)生誤差在整個解包裹結(jié)果中傳播的現(xiàn)象。本方法可以用于任意復(fù)雜物體面型的測量，將可以拓展投影條紋法的測量對象范圍。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有投影條紋面型測量技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種物體各點獨立測量的、無需相位解包裹的多步變頻率投影條紋測量方法。在測量過程中利用不同空間頻率的條紋投影在物體上，CCD攝像機記錄每個空間頻率下包含物體高度信息的變形條紋圖，然后利用標定得到的系統(tǒng)參數(shù)和多個空間頻率條紋得到的包裹相位圖計算得到物體的絕對高度分布。具體技術(shù)方案如下一種物體各點獨立測量的、無需相位解包裹的多步變頻率投影條紋測量新方法，硬件裝置與普通投影條紋測量裝置相同。其特征在于，投影多步變頻率空間條紋，不需要任何解包裹算法，直接利用標定得到的參數(shù)對不同空間頻率條紋得到的包裹相位圖進行處理，就可以得到被測物體的絕對高度信息。本發(fā)明的方法測量過程中物體各點高度信息是獨立測量的，可以有效地避免解包裹算法中由于路徑依賴的原因而產(chǎn)生的誤差在整個解包裹結(jié)果中傳播的現(xiàn)象。本發(fā)明的方法可以用于測量具有孤立非連續(xù)區(qū)域物體的面型信息，即可以用于任意復(fù)雜物體面型的測量。
本發(fā)明方法中將不同空間頻率的條紋產(chǎn)生的包裹相位圖的余弦相加得到一個隨物體高度變化的函數(shù)曲線，當自變量等于物體實際高度時，該曲線產(chǎn)生一個峰值。在一定范圍內(nèi)對該函數(shù)的峰值進行搜索，就可以獲得該點的高度信息。對被測物體上的各點進行同樣處理，就可以得到被測物體各點的實際高度信息。受物體高度調(diào)制的余弦條紋可以表示為
O(XlJf) — A + Bcos [專;c + Cx Objectix,(I)利用四步相移法可以得到物體的包裹相位值
= arctan [:4丨:,.;;:二= + Cx Object{x,y) + mod(w)(2)對于底板進行四步相移法，可以得到底板圖對應(yīng)的包裹相位值
02(x,y) = arctan [;=:;;=] =^x + mod(jr)( ^利用(2)和(3)式可以得到受物體高度調(diào)制的相位信息如下0 (x, y) = !(x, y)- 2(x, y) = CXObject (x, y)+mod( n )(4)采用合適的標定技術(shù)，物體的高度和相位信息的關(guān)系可寫為
Object(x,y)=丄 0(x,y)(丨)其中D為投影條紋的空間頻率，0為投影方向與采集方向的夾角。利用K個不同空間頻率條紋的包裹相位值及(5)式，通過下式就可以得到物體高
度和相位信息的關(guān)系。
S(h) =^|sLi explp^-h- 0k(x,y)] _ i]|(6)在一定范圍內(nèi)對h進行搜索，當h與物體那一點的高度相等時，上式將取得最大值。即當(6)式取得第一個最大值的時候，輸入的高度值h即為物體的實際高度。所以利用(6)式對h進行逐點搜索，即可恢復(fù)出物體的三維高度信息。由上述測量原理可以看出，本發(fā)明的方法可以做到對三維物體高度信息進行單點測量，每個點的高度信息獲得過程中不依賴于其它點的信息，所以可以用于測量具有不連續(xù)的或孤立突變部分的物體面型參數(shù)。
現(xiàn)有方法需要相位去包裹過程，而本發(fā)明的方法不需要相位去包裹，可以用于任意復(fù)雜形狀面型信息的測量。本發(fā)明采用多空間頻率的條紋實現(xiàn)對條紋投影物體高度信息解調(diào)，在測量過程中對被測物體各點單獨測量，能夠測量形狀復(fù)雜、有孤立間斷的物體的面型參數(shù)。本發(fā)明的方法由于沒有相位解包裹過程，避免了因包裹圖中殘差點而造成解包裹結(jié)果不準確甚至錯誤的發(fā)生，測量精度高。


圖I是本發(fā)明實施時的測量流程圖。 圖2是本發(fā)明進行包裹相位值的指數(shù)相加，而獲得的物體高度和函數(shù)強度之間關(guān)系圖的實例之一。圖3是利用本發(fā)明方法對乒乓球的一個半球進行測量的結(jié)果的三維顯示圖。圖4是利用本發(fā)明的方法對一個不連續(xù)物體進行測量的結(jié)果的三維顯示圖。
具體實施例方式本發(fā)明所使用的硬件系統(tǒng)和普通的投影條紋測量系統(tǒng)相同，投影條紋測量系統(tǒng)包括條紋產(chǎn)生光學裝置，CXD攝像機，計算機。附圖和下面的說明是以投影儀作為條紋產(chǎn)生光學裝置，以16種連續(xù)變化的不同空間頻率的條紋為例，說明本發(fā)明的實施方法。圖I是本發(fā)明測量物體面型的具體流程圖。當利用計算機改變投影條紋的空間頻率為D1 D16,對于每個空間頻率Di,利用計算機控制其相位改變，CCD攝像機分別采集初始
相位為0、f、、￥的物體圖和不放置物體情況下的底板圖；對這些采集到的圖像利用四步
相移法求得各個空間頻率條紋下物體的包裹相位值。將包裹相位值的指數(shù)相加得到的一個函數(shù)，利用(6)式進行逐點搜索，得到物體的高度分布。圖2為測量物體上一個高度為20mm的點的(6)式輸出結(jié)果和高度的關(guān)系圖。在一定范圍內(nèi)對該函數(shù)峰值進行搜索，就可以得到待測物體各點的高度信息。圖3是對乒乓球的一個半球進行測量的結(jié)果。圖4是對一個不連續(xù)物體進行測量的結(jié)果。以上是本發(fā)明的一個具體實施例，但是本發(fā)明并不限于該實施例。不同空間頻率的條紋數(shù)目可以增減，產(chǎn)生條紋的光學裝置不限于投影儀，采用的相移法不限于四步相移法。
權(quán)利要求
1.一種物體各點獨立測量無需相位解包裹的多步變頻率投影條紋測量方法，其特征在于: (1)利用變頻率條紋產(chǎn)生裝置產(chǎn)生多個不同空間頻率的條紋，投影在被測物體表面； (2)利用CCD采集受物體高度調(diào)制后的不同空間頻率的變形條紋；并利用相移方法對其進行處理，得到每個空間頻率條紋下物體的包裹相位圖； (3)利用每個空間頻率條紋下物體的包裹圖的指數(shù)相加，得到相對強度和高度的關(guān)系函數(shù)，對物體每一點的高度進行搜索，當搜索到的高度與物體當前點的高度相等時，輸出一個相對強度峰值，該峰值即為物體該點的高度；對每一點都如此處理，就可以獲得整個物體的面型信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為 受物體高度調(diào)制的余弦條紋可以表示為 0{x,y) = A + Bcos ^-X + Cx Object(x,y)^(I) 其中A和B為在(X，y)平面上生成的正弦條紋的調(diào)制參數(shù)，C為物體的真實高度和相位信息的關(guān)系，Object (x,y)為在(x,y)平面上物體的真實高度分布，x表示在(x,y)平面上條紋沿著X方向分布，D為投影條紋的空間頻率； 利用四步相移法可以得到物體的包裹相位值(尤,30 = arctan=+ Cx Object(x,y) + mod(it)(Z) 對于不放置物體情況下的底板進行四步相移法，可以得到底板圖對應(yīng)的包裹相位值 2 {x, y) = arctan [7W:1 匕'= + mod(n)(3)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為 利用(2)和(3)式可以得到受物體高度調(diào)制的相位信息如下 Θ (x, y) = Θ^χ, y)-02(x, y) = CXObject (x, y)+mod( π )(4) 采用標定方法，物體的高度和相位信息的關(guān)系可寫為Ohject(x, y) =)' 其中，D為投影條紋的空間頻率，θ為投影方向與采集方向的夾角，0(x，y)是由(4)式得出的受物體高度調(diào)制的相位信息； 利用K個不同空間頻率條紋的包裹相位值及(5)式，通過下式就可以得到物體高度和相位信息的關(guān)系 5\ ) = 士|Σ =!0,￡0,>·)] ■ i}|(6} 其中，S(h)物體的相對強度，h為物體的高度，0k(x,y)為利用K個不同空間頻率條紋得到的受物體高度調(diào)制的相位信息，Dk為投影條紋的空間頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物體各點獨立測量的、無需相位去包裹的多步變頻率投影條紋測量方法，屬于光電測量技術(shù)領(lǐng)域。其特點是通過投影多幅變頻率條紋圖到物體表面，可以得到不同空間頻率的條紋的包裹相位圖，對于得到的多幅包裹相位圖進行相位求和及峰值搜索處理，從而不需要相位解包裹即可得到物體的絕對高度分布，避免了相位解包裹過程中的誤差對測量結(jié)果的影響。本發(fā)明的方法由于省去了解包裹的步驟，每一點高度信息是單獨獲取的，可以用來測量表面不連續(xù)、有突變的物體，理論上可以測量任意復(fù)雜形狀的物體。
文檔編號G01B11/25GK102768025SQ20121025111
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者許勇, 賈書海, 陳花鈴 申請人:西安交通大學