本發(fā)明涉及快速三維測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于復(fù)合光柵投影的快速三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近年來，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)因其具備高精度、與被測(cè)物體非接觸的優(yōu)點(diǎn)而得到迅速的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，由投影系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成的投影結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

經(jīng)過眾多學(xué)者的多年研究產(chǎn)生了基于格雷碼的投影測(cè)量方法、基于鄰域解碼的投影測(cè)量方法、基于相位的數(shù)字投影技術(shù)方法等。其中，基于相位的數(shù)字投影技術(shù)因其測(cè)量速度快，能夠進(jìn)行致密重建，相對(duì)測(cè)量精度較高，因此具備較大的發(fā)展?jié)摿?。因?yàn)橄辔慌c深度存在非線性關(guān)系，所以對(duì)于基于相位的數(shù)字投影技術(shù)而言，最重要的步驟是獲取連續(xù)的絕對(duì)相位。在實(shí)現(xiàn)方面首先將不同的具有相位信息的數(shù)字光柵投射于被測(cè)物體上，然后通過相機(jī)對(duì)投射的相位光柵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過相應(yīng)的解相處理得出物體的絕對(duì)相位，進(jìn)而可以通過非線性關(guān)系獲取物體的深度信息，是一種具有多重優(yōu)點(diǎn)的三維測(cè)量方法。

經(jīng)過國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，現(xiàn)在獲取絕對(duì)相位的方法基本有兩大類方法，一類方法是利用空間鄰域信息進(jìn)行相位獲取，這類方法誤差過大，無法進(jìn)行很好的實(shí)際應(yīng)用。更多的研究是針對(duì)另一類方法，這一類方法是利用時(shí)域信息進(jìn)行相位解包，在相機(jī)拍攝速度有限和保證測(cè)量精度的前提下，現(xiàn)在相對(duì)較好的投影三維測(cè)量方法至少需要投射六幅光柵圖片才能進(jìn)行絕對(duì)相位的展開。還有一些使用了較少的光柵圖片，但是由于光柵較稀疏等原因，從而獲取相位方法的精度相對(duì)較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在保持精度的前提下，有效的提高了三維測(cè)量的速度的基于復(fù)合光柵投影的快速三維測(cè)量方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于復(fù)合光柵投影的快速三維測(cè)量方法，該方法包括下列順序的步驟：

(a)搭建好由投影系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成的測(cè)量系統(tǒng)；

(b)在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合光柵的生成，并將所述復(fù)合光柵通過計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)燒錄至投影系統(tǒng)中；

(c)所述復(fù)合光柵通過投影系統(tǒng)投射到被測(cè)物表面，復(fù)合光柵經(jīng)過被測(cè)物表面高度調(diào)制產(chǎn)生新形狀的復(fù)合光柵；

(d)用工業(yè)相機(jī)采集所述的新形狀復(fù)合光柵，并將采集的新形狀的復(fù)合光柵傳送到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中；

(e)在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中，經(jīng)過工業(yè)相機(jī)采集的新形狀的復(fù)合光柵通過五步相移法解相，分別獲取余弦光柵包裹相位和階梯光柵包裹相位；

(f)將獲取的所述階梯光柵包裹相位進(jìn)行圓整處理，并結(jié)合所述余弦光柵包裹相位將包裹相位展開成絕對(duì)相位；

(g)通過所述絕對(duì)相位與被測(cè)物深度對(duì)應(yīng)的非線性關(guān)系進(jìn)行物體三維信息的重建。

在所述步驟(a)中，所述測(cè)量系統(tǒng)帶有同步觸發(fā)功能，能夠瞬間采集投射出去的光柵并傳送至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。

在所述步驟(b)中，所述復(fù)合光柵是由特定周期比的單一余弦光柵和單一階梯光柵在單顏色通道下復(fù)合而成的，其灰度分布的計(jì)算公式如下：

I_k(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-r×kπ/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-s×kπ/5] (1)

其中，(x,y)表示像素坐標(biāo)，I’(x,y)表示復(fù)合光柵背景強(qiáng)度，I”(x,y)表示余弦光柵的調(diào)制強(qiáng)度，I”’(x,y)表示階梯光柵的調(diào)制強(qiáng)度，φ^r表示余弦光柵包裹相位，r表示余弦光柵相移量的比例因子，φ^s表示階梯光柵包裹相位，s表示階梯光柵相移量的比例因子，I_k(x,y)表示第k幅復(fù)合光柵，k＝0,1,2,3,4。

在所述步驟(e)中，所述五步相移法的計(jì)算公式如下：

其中，(x,y)表示像素坐標(biāo)，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，r表示余弦光柵相移量的比例因子，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，s表示階梯光柵相移量的比例因子，I_k(x,y)表示第k幅復(fù)合光柵，k＝0,1,2,3,4。

在所述步驟(f)中，所述圓整處理的計(jì)算公式為：

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π] (3)

其中，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，round表示圓整函數(shù)，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位；

所述絕對(duì)相位的計(jì)算公式如下：

Φ^w(x,y)＝φ^r(x,y)+K(x,y)·2π (4)

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位，Φ^w(x,y)表示絕對(duì)相位。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，本發(fā)明只需要進(jìn)行一組五幅光柵圖片的投影和采集，并通過一次五步相移法就可以進(jìn)行物體相位的展開；第二，本發(fā)明提出的方法與傳統(tǒng)較好的時(shí)域解包方法相比，在具有相同測(cè)量精度的情況下，本發(fā)明減少了光柵圖片數(shù)量的使用，提升了測(cè)量速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的復(fù)合光柵圖；

圖2(a)為SNR＝22干擾的整體復(fù)合光柵圖，圖2(b)為無SNR干擾的復(fù)合光柵和SNR＝22干擾的復(fù)合光柵和的局部對(duì)比圖；

圖3為余弦包裹相位圖；

圖4為階梯包裹相位圖；

圖5為仿真的圓整階梯包裹相位圖；

圖6為仿真的絕對(duì)相位圖；

圖7為測(cè)量系統(tǒng)圖；

圖8為采集的實(shí)物圖；

圖9為被測(cè)物的包裹相位圖；

圖10為被測(cè)物的絕對(duì)相位圖；

圖11為被測(cè)物三維信息渲染圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

本實(shí)施例為仿真測(cè)量，所有的過程在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，下面是具體仿真過程：

步驟1：將本發(fā)明設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵通過MATLAB軟件生成，設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵灰度分布如下式所示，其形狀如圖1所示。

I₁(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-8π/5]

I₂(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-4π/5]

I₃(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)]

I₄(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+4π/5]

I₅(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+8π/5]

其中，(x,y)表示像素坐標(biāo)，I'(x,y)表示光柵背景強(qiáng)度，I”(x,y)表示余弦光柵的調(diào)制強(qiáng)度，I”'(x,y)表示階梯光柵的調(diào)制強(qiáng)度，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，余弦光柵的相移量為2π/5，階梯光柵的相移量為4π/5。

步驟2：將生成的復(fù)合光柵加入SNR＝22的干擾，其圖像形狀如圖2(a)所示；SNR＝22的復(fù)合光柵圖與無SNR干擾的復(fù)合光柵圖對(duì)比如圖2(b)所示。

步驟3：將受到干擾的復(fù)合光柵用MATLAB軟件進(jìn)行處理，首先進(jìn)行五步相移法處理，其處理過程如下式所示：

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，求解的余弦光柵包裹相位如圖3所示，求解的階梯光柵包裹相位如圖4所示。

步驟4：將階梯光柵包裹相位通過下式所述的過程進(jìn)行圓整，圓整后形狀如圖5所示。

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π]

其中，round表示圓整函數(shù)，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位。

步驟5：將圓整的階梯光柵包裹相位與余弦光柵包裹相位通過下式所述的過程進(jìn)行結(jié)合，最終形成絕對(duì)相位，其形狀如圖6所示，可以看出在SNR＝22的情況下解出的絕對(duì)相位雖然有少量的噪聲點(diǎn)，但從整體上來說，解出的絕對(duì)相位還是比較好的，具備極強(qiáng)的抗干擾能力。

Φ^w(x,y)＝φ^r(x,y)+K(x,y)·2π

其中，Φ^w(x,y)表示絕對(duì)相位,K(x,y)表示圓整后的階梯包裹相位，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位。

實(shí)施例二

本實(shí)施例為實(shí)物拍攝測(cè)量，本次實(shí)物的測(cè)量距離為500mm左右，其具體過程如下所示：

步驟1：如圖7所示，搭建好由投影系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成的測(cè)量系統(tǒng)，投影系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)通過數(shù)據(jù)線和采集卡與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接。在這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，選用的投影儀型號(hào)為TI(德州儀器)公司開發(fā)的LightCrafter 4500，工業(yè)相機(jī)型號(hào)為IO公司的2M360CL，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中包括MATLAB編程軟件、操作投影儀與工業(yè)相機(jī)的軟件等。

步驟2：將設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵通過MATLAB軟件生成，設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵灰度如下式所示，其形狀如圖1所示。

I₁(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-8π/5]

I₂(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-4π/5]

I₃(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)]

I₄(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+4π/5]

I₅(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+8π/5]

其中，(x,y)表示像素坐標(biāo)，I'(x,y)表示光柵背景強(qiáng)度，I”(x,y)表示余弦光柵的調(diào)制強(qiáng)度，I”'(x,y)表示階梯光柵的調(diào)制強(qiáng)度，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，余弦光柵的相移量為2π/5，階梯光柵的相移量為4π/5。

步驟3：將生成的復(fù)合光柵通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)燒錄至投影系統(tǒng)中，并向物體進(jìn)行投射。

步驟4：用工業(yè)相機(jī)采集被物體反射回來的復(fù)合光柵，并同步傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中，工業(yè)相機(jī)采集到的復(fù)合光柵如圖8所示。

步驟5：在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中，將采集到的復(fù)合光柵通過五步相移法，其處理過程如下式所示：

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，解得的余弦光柵包裹相位和階梯光柵包裹相位如圖9所示。

步驟6：將階梯光柵包裹相位通過下式所述的過程進(jìn)行圓整。

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π]

其中，Round表示圓整函數(shù)，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，K(x,y)表示圓整后的所述階梯光柵包裹相位。

步驟7：將圓整的階梯光柵包裹相位與余弦光柵包裹相位通過下式所述的過程進(jìn)行結(jié)合，最終形成絕對(duì)相位，其形狀如圖10所示。

Φ^w(x,y)＝φ^r(x,y)+K(x,y)·2π

其中，Φ^w(x,y)表示物體絕對(duì)相位，K(x,y)表示圓整后的階梯包裹相位，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位。

步驟8：通過所述絕對(duì)相位與深度一一對(duì)應(yīng)的非線性關(guān)系和標(biāo)定過程進(jìn)行物體三維信息的重建，重建的物體三維形貌如圖11所示。

綜上所述，本發(fā)明只需要進(jìn)行一組五幅光柵圖片的投影和采集，并通過一次五步相移法就可以進(jìn)行物體相位的展開；本發(fā)明提出的方法與傳統(tǒng)較好的時(shí)域解包方法相比，在具有相同測(cè)量精度的情況下，本發(fā)明減少了光柵圖片數(shù)量的使用，提升了測(cè)量速度。