本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種三維測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：

隨著三維測(cè)量技術(shù)的日益成熟，已經(jīng)逐步應(yīng)用在國(guó)防軍事、航空航天、機(jī)械制造、美容、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域，具體用于通過(guò)三維圖像分析來(lái)獲取測(cè)量對(duì)象的三維尺寸。

目前，基于相移法的三維測(cè)量法由于速度快、操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注。在基于相移法的三維測(cè)量法中，使用的投射單元通常為投影儀，由于投影儀投射出的圖像是由像素點(diǎn)組成的數(shù)字信號(hào)，精度較低，且投影儀的亮度有限，在一定程度上影響了三維測(cè)量的準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種三維測(cè)量裝置和方法，以提高三維測(cè)量的精度。具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種三維測(cè)量裝置，所述裝置包括：

投射單元，包括依次排列的照明器、聚焦透鏡組、正弦光柵片、成像透鏡和光屏，所述聚焦透鏡組和所述成像透鏡均使所述正弦條紋圖像清晰準(zhǔn)確；所述照明器發(fā)射的光，依次經(jīng)過(guò)所述聚焦透鏡組、所述正弦光柵片和所述成像透鏡生成正弦條紋圖像；所述正弦條紋圖像未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像，或者經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像，所述未調(diào)制光柵條紋圖像或者所述調(diào)制光柵條紋圖像被投射至光屏；成像單元，采集投射在所述光屏上的所述未調(diào)制光柵條紋圖像或者所述調(diào)制光柵條紋圖像；處理單元，根據(jù)所述成像單元采集到的所述未調(diào)制光柵條紋圖像和所述調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算所述測(cè)量對(duì)象的尺寸。

優(yōu)選的，所述聚焦透鏡組，包括依次排列的平凸透鏡、雙膠合透鏡和平凸透鏡；所述成像透鏡，包括平凸透鏡。

優(yōu)選的，所述投射單元，還包括：勻光器、分光片和準(zhǔn)直透鏡；所述勻光器、所述分光片和所述準(zhǔn)直透鏡依次排列在所述照明器和所述聚焦透鏡組之間，所述勻光器靠近所述照明器；所述勻光器使所述照明器發(fā)射的光的光強(qiáng)度均勻，并縮小所述照明器發(fā)射的光的發(fā)散角；所述分光片將經(jīng)過(guò)所述勻光器的光中所含的雜散光濾除；所述準(zhǔn)直透鏡將經(jīng)過(guò)所述分光片的光調(diào)整為平行光束。

優(yōu)選的，所述照明器，包括led陣列；所述勻光器的孔徑大于所述led陣列的截面。

優(yōu)選的，所述裝置還包括：位置調(diào)節(jié)器；所述位置調(diào)節(jié)器，在垂直于所述投射單元生成的光路方向，移動(dòng)所述正弦光柵片的位置，以調(diào)制所述成像單元采集到的光柵條紋圖像的相位。

優(yōu)選的，所述裝置還包括：控制單元；所述控制單元，在所述光屏之前未擺放所述測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用所述位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)所述投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相，使所述成像單元采集到所述正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；在所述光屏之前擺放所述測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用所述位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)所述投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相，使所述成像單元采集到所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

優(yōu)選的，所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；采集所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像；所述處理單元，使用雙頻外差法，通過(guò)解析所述成像單元采集到的所述調(diào)制光柵條紋圖像和所述未調(diào)制光柵條紋圖像，得到所述測(cè)量對(duì)象的尺寸。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種三維測(cè)量方法，應(yīng)用于三維測(cè)量裝置，所述三維測(cè)量裝置包括：投射單元、成像單元和處理單元；所述方法包括：利用所述投射單元，生成正弦條紋圖像；利用所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像，以及未經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；利用所述處理單元，根據(jù)所述成像單元采集到的所述調(diào)制光柵條紋圖像和所述未調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算所述測(cè)量對(duì)象的尺寸。

優(yōu)選的，所述方法還包括：利用位置調(diào)節(jié)器移動(dòng)所述投射單元中正弦光柵片的位置，以改變所述成像單元采集到的光柵條紋圖像的相位。

優(yōu)選的，在所述利用所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像，以及未經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像的步驟之前，所述方法還包括：在所述光屏之前未擺放所述測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用所述位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)所述投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相；在所述光屏之前擺放所述測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用所述位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)所述投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相；所述利用所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像，以及未經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像的步驟，包括：利用所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；利用所述成像單元，采集所述正弦條紋圖像經(jīng)所述測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像；所述利用所述處理單元根據(jù)所述成像單元采集到的所述調(diào)制光柵條紋圖像和所述未調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算所述測(cè)量對(duì)象的尺寸的步驟，包括：使用雙頻外差法，通過(guò)解析所述成像單元采集到的四張所述調(diào)制光柵條紋圖像和四張所述未調(diào)制光柵條紋圖像，得到所述測(cè)量對(duì)象的尺寸。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三維測(cè)量裝置和方法，三維測(cè)量裝置包括投射單元、成像單元和處理單元，投射單元包括依次排列的照明器、聚焦透鏡組、正弦光柵片、成像透鏡和光屏；具體的，照明器發(fā)射的光，依次經(jīng)過(guò)聚焦透鏡組、正弦光柵片和成像透鏡生成正弦條紋圖像，正弦條紋圖像未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像，或者經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像，未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像被投射至光屏，其中，聚焦透鏡組和成像透鏡均使正弦條紋圖像清晰準(zhǔn)確；成像單元，能夠采集投射在光屏上的未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像；處理單元，根據(jù)成像單元采集到的未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

這樣，投射單元生成的正弦條紋圖像是利用正弦光柵片產(chǎn)生的模擬光，因此，成像單元采集到的由正弦條紋圖像生成的光柵條紋圖像能夠攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，使得處理單元計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品或方法必不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，投射單元的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量方法的一種流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量方法的一種應(yīng)用示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種三維測(cè)量裝置，參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；如圖1所示，裝置包括：投射單元101、成像單元102和處理單元103。

投射單元101，包括依次排列的照明器1011、聚焦透鏡組1012、正弦光柵片1013、成像透鏡1014和光屏1015；聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014均使正弦條紋圖像清晰準(zhǔn)確。

其中，照明器1011、聚焦透鏡組1012、正弦光柵片1013、成像透鏡1014和光屏1015在水平面上依次排列組成投射單元101。具體的，照明器1011用于生成光源；弦光柵片1013用于將照明器生成的光調(diào)制成正弦條紋圖像；聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014用于使生成的正弦條紋圖像更加清晰準(zhǔn)確；測(cè)量對(duì)象擺放在能夠觀察到清晰正弦條紋圖像的位置，光屏1015放置在測(cè)量對(duì)象之后，光屏1015用于接收正弦條紋圖像未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像，或者經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像。

第一步，照明器1011發(fā)射的光，依次經(jīng)過(guò)聚焦透鏡組1012、正弦光柵片1013和成像透鏡1014生成正弦條紋圖像。

在實(shí)際應(yīng)用中，照明器1011發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)由聚焦透鏡組1012、正弦光柵片1013和成像透鏡1014組成的光路，生成模擬光的正弦條紋圖像；相較于由投影儀生成的數(shù)字信號(hào)的正弦條紋圖像，模擬光的正弦條紋圖像在經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成的調(diào)制光柵條紋圖像，能夠攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，進(jìn)而使得最終計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

此外，聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014均能夠使生成的正弦條紋圖像更加清晰，以確保計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象尺寸的準(zhǔn)確性。

第二步，正弦條紋圖像未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像，或者經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像，未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像被投射至光屏1015。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要分兩種情況生成光柵條紋圖像：一種是在光屏1015之前不放置測(cè)量對(duì)象的情況，正弦條紋圖像直接投射在光屏1015上，此時(shí)，顯示在光屏1015上的是未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像；另一種是在光屏1015之前放置測(cè)量對(duì)象的情況，正弦條紋圖像經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象反射后投射在光屏1015上，此時(shí)，顯示在光屏1015上的是經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像。

這樣，當(dāng)處理單元103就能夠根據(jù)成像單元102從光屏1015上采集到未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算出測(cè)量對(duì)象的尺寸。

成像單元102，采集投射在光屏1015上的未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像。

在實(shí)際應(yīng)用中，成像單元102可以是電荷耦合元件(charge-coupleddevice，ccd)相機(jī)，通過(guò)拍照采集投射單元101投影在光屏1015上的未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像，以提供給處理單元103用于計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

處理單元103，根據(jù)成像單元102采集到的未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

在實(shí)際應(yīng)用中，處理單元103可以是計(jì)算機(jī)，能夠根據(jù)成像單元102采集到未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，具體的，可以通過(guò)比較未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像之間的相位差異信息，計(jì)算出測(cè)量對(duì)象的尺寸。

可見(jiàn)，在本發(fā)明實(shí)施例提出的三維測(cè)量裝置中，投射單元投射在光屏上的正弦條紋圖像是利用正弦光柵片產(chǎn)生的模擬光，因此，成像單元采集到的、由正弦條紋圖像生成的光柵條紋圖像能夠攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，使得處理單元計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，聚焦透鏡組1012，包括依次排列的平凸透鏡、雙膠合透鏡和平凸透鏡；成像透鏡1014，包括平凸透鏡。

在實(shí)際應(yīng)用中，聚焦透鏡組1012由三片透鏡組成，從左到右依次為透鏡1、透鏡2和透鏡3；其中，透鏡1是焦距為300mm的平凸透鏡，透鏡2是焦距為75mm的雙膠合透鏡，透鏡3是焦距為100mm的平凸透鏡。在投射單元中，聚焦透鏡組1012中的透鏡1靠近照明器1011，透鏡2與透鏡1之間距離為60±5mm，透鏡3與透鏡2緊挨。通過(guò)將三片透鏡封裝在金屬鏡筒，使得聚焦透鏡組1012中的三片透鏡的光軸嚴(yán)格重合。

成像透鏡1014可以是焦距為200mm，且直徑為80mm的平凸k9透鏡。

可見(jiàn)，聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014通過(guò)縮短光路長(zhǎng)度，使得照明器發(fā)射的光經(jīng)過(guò)正弦光柵片1013后生成的正弦條紋圖像更加清晰準(zhǔn)確。

此外，還可以通過(guò)調(diào)整聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014之間的間距，配合測(cè)量對(duì)象的尺寸；具體的，當(dāng)測(cè)量對(duì)象的尺寸較大時(shí)，可以增大聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014之間的間距,當(dāng)測(cè)量對(duì)象的尺寸較小時(shí)，可以減小聚焦透鏡組1012和成像透鏡1014之間的間距；以及，對(duì)于尺寸較小的測(cè)量對(duì)象，可以選擇條紋密度較小的正弦光柵片1013。

在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實(shí)施例中，照明器1011，包括led陣列。

在實(shí)際應(yīng)用中，led陣列中的led燈珠，單顆最大功率可以為18w，最大光照強(qiáng)度可以為2500lm，led燈珠通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)器組合成3×3的led陣列。

需要說(shuō)明的是，目前使用較為廣泛的投射單元是投影儀，由于投影儀投射出的圖像是由像素點(diǎn)組成的數(shù)字信號(hào)，精度較低，且投影儀的亮度有限，在一定程度上影響了三維測(cè)量的準(zhǔn)確度。相較于由投影儀生成的正弦條紋圖像，在本發(fā)明實(shí)施例中，由led陣列通過(guò)正弦光柵片1013生成的正弦條紋圖像，能夠在經(jīng)測(cè)量對(duì)象反射后生成的光柵條紋圖像中攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，進(jìn)而使得最終計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

此外，led陣列還能夠根據(jù)測(cè)量對(duì)象的光反射率和外形，調(diào)整led陣列的截面大小以及l(fā)ed燈珠的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)照明器的亮度可調(diào)，使得本發(fā)明實(shí)施例提供的三維測(cè)量裝置能夠適用于測(cè)量不同顏色、不同粗糙程度、不同形狀的物體尺寸，使用起來(lái)更加靈活。同時(shí)，針對(duì)不同對(duì)比度的正弦光柵片1013，led陣列都能與之配合，以調(diào)試出正弦性良好的正弦條紋圖像：同時(shí)，led陣列的價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)且功耗低，相較于投影儀，led陣列的設(shè)備成本和使用成本都大大降低。

在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例中，參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，投射單元的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，投射單元101還包括勻光器1016、分光片1017和準(zhǔn)直透鏡1018；勻光器1016、分光片1017和準(zhǔn)直透鏡1018依次排列在照明器1011和聚焦透鏡組1012之間，勻光器1016靠近照明器1011。

具體的，勻光器1016使照明器1011發(fā)射的光的光強(qiáng)度均勻，并縮小照明器1011發(fā)射的光的發(fā)散角；分光片1017將經(jīng)過(guò)勻光器1016的光中所含的雜散光濾除；準(zhǔn)直透鏡1018將經(jīng)過(guò)分光片1017的光調(diào)整為平行光束。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于周?chē)h(huán)境中的雜散光會(huì)影響正弦條紋圖像的清晰度，導(dǎo)致生成的光柵條紋圖像模糊，因此，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)使用分光片1017，只允許固定波段的光通過(guò)，使得正弦條紋圖像更加清晰準(zhǔn)確。此外，分光片1017的擺放角度為與水平面成45度。

可見(jiàn)，由于led光源的均勻性較差，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)勻光器1016、分光片1017和準(zhǔn)直透鏡1018的組合，提高了led光源的均勻性和平行性，保證生成的正弦條紋圖像的清晰度。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，裝置還包括：位置調(diào)節(jié)器。

位置調(diào)節(jié)器，在垂直于投射單元101生成的光路方向，移動(dòng)正弦光柵片1013的位置，以調(diào)制成像單元102采集到的光柵條紋圖像的相位。

在實(shí)際應(yīng)用中，位置調(diào)節(jié)器可以是控制伺服電機(jī)，可控制正弦光柵片1013移動(dòng)0.1mm單位級(jí)的距離；可通過(guò)位置調(diào)節(jié)器移動(dòng)正弦光柵片1013，生成四張調(diào)制光柵條紋圖像和四張未調(diào)制光柵條紋圖像。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，裝置還包括：控制單元。

控制單元，在光屏1015之前未擺放測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相，使成像單元102采集到正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；

在光屏1015之前擺放測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相，使成像單元102采集到正弦條紋圖像經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

具體的，首先，將照明單元中的正弦光柵片配置為正弦光柵片a，在光屏1015之前不擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，控制單元利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片a，每移動(dòng)一次正弦光柵片a，就生成一張未調(diào)制光柵條紋圖像并投影在光屏1015上；移動(dòng)四次，共生成四張正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；

接下來(lái)，在照明單元中的正弦光柵片為正弦光柵片a，且在光屏1015之前擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，控制單元利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片a，每移動(dòng)一次正弦光柵片a，就生成一張調(diào)制光柵條紋圖像并投影在光屏1015上；移動(dòng)四次，共生成四張正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

同理，將照明單元中的正弦光柵片配置為正弦光柵片b，在光屏1015之前不擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，控制單元利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片b，每移動(dòng)一次正弦光柵片b，就生成一張未調(diào)制光柵條紋圖像并投影在光屏1015上；移動(dòng)四次，共生成四張正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；

在照明單元中的正弦光柵片為正弦光柵片b，且在光屏1015之前擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，控制單元利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片b，每移動(dòng)一次正弦光柵片b，就生成一張調(diào)制光柵條紋圖像并投影在光屏1015上；移動(dòng)四次，共生成四張正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

需要說(shuō)明的是，正弦光柵片a和正弦光柵片b的頻率不同，而尺寸和對(duì)比度均相同。

這樣，通過(guò)控制單元，共生成十六張光柵條紋圖像，具體為正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，以及正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，以便處理單元根103據(jù)光柵條紋圖像計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，成像單元102，采集正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；采集正弦條紋圖像經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像；

處理單元103，使用雙頻外差法，通過(guò)解析成像單元102采集到的調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，得到測(cè)量對(duì)象的尺寸。

具體的，首先，成像單元102采集到正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，以及正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，并把十六張光柵條紋圖發(fā)送給處理單元103；

接下來(lái)，處理單元103通過(guò)解析成像單元102采集到正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，得到相位值a，以及通過(guò)解析成像單元102采集到正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，得到相位值b；使用雙頻外差法，根據(jù)相位值a和相位值b計(jì)算得到絕對(duì)相位值；進(jìn)而根據(jù)絕對(duì)相位值計(jì)算出測(cè)量對(duì)象的尺寸。

可見(jiàn)，在本發(fā)明實(shí)施例提出的三維測(cè)量裝置中，首先，由led陣列產(chǎn)生高亮度的光源，然后，通過(guò)勻光器1016、分光片1017和準(zhǔn)直透鏡1018提高光源的均勻性和平行性，使得最終通過(guò)正弦光柵片生成的正弦條紋圖像清晰準(zhǔn)確；并且，還可以利用位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)正弦光柵片的位置，以生成不同相位的未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，使得處理單元103通過(guò)解析調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

本發(fā)明實(shí)施例還公開(kāi)了一種三維測(cè)量方法，應(yīng)用于三維測(cè)量裝置，三維測(cè)量裝置包括：投射單元、成像單元和處理單元。

具體的，投射單元，包括依次排列的照明器、聚焦透鏡組、正弦光柵片、成像透鏡和光屏；照明器發(fā)射的光，依次經(jīng)過(guò)聚焦透鏡組、正弦光柵片和成像透鏡生成正弦條紋圖像；正弦條紋圖像未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像，或者經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像，未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像被投射至光屏。

成像單元，采集投射在光屏上的未調(diào)制光柵條紋圖像或者調(diào)制光柵條紋圖像。

處理單元，根據(jù)成像單元采集到的未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

參見(jiàn)圖3，圖3為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量方法的一種流程圖；三維測(cè)量方法包括如下步驟：

步驟301，利用投射單元，生成正弦條紋圖像。

在本步驟中，需要先調(diào)整投射單元中照明器的亮度，以及各組件之間的擺放距離，使投射單元投射出亮度適中、清晰均勻的正弦條紋圖像。

調(diào)整投射單元中照明器的亮度，以及各組件之間的擺放距離的具體過(guò)程為：成像單元，具體可以是ccd相機(jī)對(duì)投影在光屏上的正弦條紋圖像按行提取灰度，與同頻率標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)比對(duì)，進(jìn)而根據(jù)比對(duì)結(jié)果調(diào)整投射單元中照明器的亮度以及投射單元中各組件之間的擺放間距，直到ccd相機(jī)采集到的正弦條紋圖像的正弦性符合標(biāo)準(zhǔn)。

在本步驟中，照明器發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)由聚焦透鏡組、正弦光柵片和成像透鏡組成的光路，生成模擬光的正弦條紋圖像；然后，將正弦條紋圖像投影在光屏上。

相較于由投影儀生成的數(shù)字信號(hào)的正弦條紋圖像，模擬光的正弦條紋圖像在經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成的調(diào)制光柵條紋圖像，能夠攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，進(jìn)而使得最終計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

步驟302，利用成像單元，采集正弦條紋圖像經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像，以及未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像。

在本步驟中，需要在兩種情況下采集光柵條紋圖像：一種是在光屏之前不放置測(cè)量對(duì)象的情況，正弦條紋圖像直接投射在光屏，此時(shí)，從光屏上采集到的是未經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制生成未調(diào)制光柵條紋圖像；另一種是在光屏之前放置測(cè)量對(duì)象的情況，正弦條紋圖像經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象反射后投射在光屏上，此時(shí)，從光屏上采集到的是經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后生成調(diào)制光柵條紋圖像。

步驟303，利用處理單元，根據(jù)成像單元采集到的調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

在本步驟中，可以通過(guò)解析未調(diào)制光柵條紋圖像和調(diào)制光柵條紋圖像，得出絕對(duì)相位值，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)量對(duì)象的尺寸。

可見(jiàn)，在本發(fā)明實(shí)施例提出的三維測(cè)量方法中，投射單元生成的正弦條紋圖像是利用正弦光柵片產(chǎn)生的模擬光，因此，采集到的、由正弦條紋圖像生成的光柵條紋圖像能夠攜帶更加豐富且精確的測(cè)量物體的尺寸信息，使得最終計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸更加精確。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，方法還包括：

利用位置調(diào)節(jié)器移動(dòng)所述投射單元中正弦光柵片的位置，以改變成像單元采集到的光柵條紋圖像的相位。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟302之前，方法還包括：

在光屏之前未擺放測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相；

在光屏之前擺放測(cè)量對(duì)象時(shí)，利用位置調(diào)節(jié)器，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，對(duì)投射單元中的正弦光柵片進(jìn)行移相；

步驟302具體包括：

利用成像單元，采集正弦條紋圖像未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像；

利用成像單元，采集正弦條紋圖像經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

在實(shí)際應(yīng)用中，位置調(diào)節(jié)器可以是控制伺服電機(jī)。

首先，將照明單元中的正弦光柵片配置為正弦光柵片a，在光屏之前未擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，使用控制伺服電機(jī)，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片a；每移動(dòng)一次正弦光柵片a，ccd相機(jī)就對(duì)投影在光屏上的光柵條紋圖像采集一次，共移動(dòng)四次，ccd相機(jī)能夠采集四張正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像。

接下來(lái)，在照明單元中的正弦光柵片為正弦光柵片a，且在光屏之前擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，使用控制伺服電機(jī)，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片a；每移動(dòng)一次正弦光柵片a，ccd相機(jī)就對(duì)投影在光屏上的光柵條紋圖像采集一次，共移動(dòng)四次，ccd相機(jī)能夠采集四張正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

同理，將照明單元中的正弦光柵片配置為正弦光柵片b，在光屏之前未擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，使用控制伺服電機(jī)，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片b；每移動(dòng)一次正弦光柵片b，ccd相機(jī)就對(duì)投影在光屏上的光柵條紋圖像采集一次，共移動(dòng)四次，ccd相機(jī)能夠采集四張正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的未經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)象調(diào)制的未調(diào)制光柵條紋圖像。

接下來(lái)，在照明單元中的正弦光柵片為正弦光柵片b，且在光屏之前擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，使用控制伺服電機(jī)，按照預(yù)設(shè)的相位移動(dòng)值，在垂直于光路的方向移動(dòng)正弦光柵片b；每移動(dòng)一次正弦光柵片b，ccd相機(jī)就對(duì)投影在光屏上的光柵條紋圖像采集一次，共移動(dòng)四次，ccd相機(jī)能夠采集四張正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的經(jīng)測(cè)量對(duì)象調(diào)制后的調(diào)制光柵條紋圖像。

需要說(shuō)明的是，正弦光柵片a和正弦光柵片b的頻率不同，而尺寸和對(duì)比度均相同。并且，本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于不擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下以及擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下，移動(dòng)正弦光柵片并采集光柵條紋圖像的執(zhí)行順序不加以限制。也就是說(shuō)，按照如上文描述的執(zhí)行順序，也可以先執(zhí)行擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下移動(dòng)正弦光柵片并采集光柵條紋圖像，再執(zhí)行不擺放測(cè)量對(duì)象的場(chǎng)景下移動(dòng)正弦光柵片并采集光柵條紋圖像。

這樣，ccd相機(jī)共采集到十六張光柵條紋圖像，具體為正弦光柵片a對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，以及正弦光柵片b對(duì)應(yīng)的四張未調(diào)制光柵條紋圖像和四張調(diào)制光柵條紋圖像，以便根據(jù)光柵條紋圖像，準(zhǔn)確計(jì)算測(cè)量對(duì)象的尺寸。

此外，在實(shí)際應(yīng)用中，在步驟303之前，為了提高光柵條紋圖像的圖像質(zhì)量，需要先對(duì)采集到的調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像進(jìn)行濾波處理。

具體的，首先，根據(jù)光柵投影的頻率計(jì)算濾波范圍，由光柵投影的灰度信號(hào)與信號(hào)光強(qiáng)平均值可求出光柵投影頻率，以該投影頻率為基礎(chǔ)，通過(guò)上下偏置設(shè)定濾波窗口；然后，采用低通濾波器的平滑濾波算法，通過(guò)傅里葉變換對(duì)光柵條紋圖像進(jìn)行分析，其中，光柵條紋圖像的零頻部分為圖像背景，光柵條紋圖像的基頻部分為光柵圖像的基頻信號(hào)，光柵條紋圖像的高頻部分為圖像的噪聲干擾；最后，通過(guò)設(shè)置濾波窗口的起始頻率和截止頻率，濾掉光柵條紋圖像中的噪聲。

在本發(fā)明的再一種優(yōu)選實(shí)施例中，步驟303具體包括：

使用雙頻外差法，通過(guò)解析成像單元采集到的調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，得到測(cè)量對(duì)象的尺寸。

為了便于理解，下面通過(guò)一個(gè)使用三維測(cè)量方法計(jì)算測(cè)量對(duì)象尺寸的應(yīng)用實(shí)施例，來(lái)說(shuō)明上述使用雙頻外差法，通過(guò)解析成像單元采集到的調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，得到測(cè)量對(duì)象的尺寸的過(guò)程。

參考圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量方法的一種應(yīng)用示意圖。在圖4中，三維測(cè)量方法應(yīng)用于三維測(cè)量裝置，三維測(cè)量裝置包括照明單元和成像單元，成像單元具體為ccd相機(jī)，照明單元用于發(fā)射出清晰準(zhǔn)確的正弦條紋圖像；ccd相機(jī)，用于采集投射在光屏上的光柵條紋圖像；雖然圖4中未示出處理單元，但可以理解的，三維測(cè)量裝置還包括處理單元。

圖4中的黑色的虛線為測(cè)量對(duì)象，h為測(cè)量對(duì)象的高度尺寸，測(cè)量對(duì)象放置在參考平面上，參考平面上建立xoy平面直角坐標(biāo)系。

假設(shè)從照明單元發(fā)出的一條光線應(yīng)該投射在參考面上的b點(diǎn)，由于測(cè)量對(duì)象的存在，該光線投射在測(cè)量對(duì)象上的p點(diǎn)。從ccd相機(jī)的角度看，當(dāng)不放置測(cè)量對(duì)象時(shí)，參考面上的點(diǎn)a成像在ccd陣面上的點(diǎn)(m,n)。由于測(cè)量對(duì)象的存在，測(cè)量對(duì)象上的p點(diǎn)被成像到ccd陣面上的點(diǎn)(m,n)。也就是說(shuō)，由于測(cè)量對(duì)象的存在，ccd陣面上(m,n)點(diǎn)的信息從參考面上的a點(diǎn)變到b點(diǎn)。

首先，ccd相機(jī)共采集到的十六張光柵條紋圖像分別以公式(1)的形式表示出來(lái)：

ii(m,n)＝i0(m,n)+γ(m,n)cos[φ(m,n)+αi],i＝1,2,3,4(1)

在公式(1)中，i表示移相次數(shù)，i0(m,n)為光柵條紋圖像的背景灰度，γ(m,n)為光柵條紋圖像的調(diào)制深度，φ(m,n)為絕對(duì)相位值，αi為第i次移動(dòng)的相位值；具體的，每次移動(dòng)的相位值分別為α1＝0,α2＝π/2,α3＝π,α4＝3π/2。

然后，計(jì)算每張光柵條紋圖像中每一點(diǎn)的相位：

令α1＝0,α2＝π/2,α3＝π,α4＝3π/2，得到：

在公式(3)中，φ′(m,n)為相位主值。相位主值φ′(m,n)為在一個(gè)相位周期內(nèi)是唯一的，但由于在整個(gè)測(cè)量空間內(nèi)有多個(gè)光柵條紋，φ′(m,n)為呈鋸齒狀分布，必須對(duì)空間點(diǎn)的相位主值進(jìn)行相位展開(kāi)得到連續(xù)的絕對(duì)相位值φ(m,n)，這個(gè)過(guò)程稱為解包裹；使用雙頻外差法解包裹，可以避免在測(cè)量對(duì)象的高度變化較大時(shí)導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。

最后，根據(jù)相位-高度轉(zhuǎn)換公式，將相位信息轉(zhuǎn)換成測(cè)量對(duì)象的高度信息；其中，相位-高度轉(zhuǎn)換公式如公式(4)所示：

在公式(4)中，φa為未調(diào)制光柵條紋圖像中某一坐標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)相位值，φb為調(diào)制光柵條紋圖像中該坐標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)相位值，相位φa和相位φb能夠分別從調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像中得到；λ0為光屏上正弦光柵片的空間周期值；h為所求的測(cè)量對(duì)象的高度尺寸。

可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例提出的三維測(cè)量方法，能夠使用雙頻外差法，通過(guò)解析調(diào)制光柵條紋圖像和未調(diào)制光柵條紋圖像，計(jì)算得到測(cè)量對(duì)象的尺寸；這樣，采用四步相移與雙頻解相結(jié)合的解相位算法，能夠減小解相位的出錯(cuò)率，提高計(jì)算出的測(cè)量對(duì)象的尺寸的準(zhǔn)率度。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例均采用相關(guān)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。