基于投影云紋方法的離面位移測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于投影云紋方法的離面位移測(cè)量系統(tǒng)及方法，通過光源發(fā)出的光通過投影光柵和鏡頭投影到被測(cè)物體表面形成柵線，柵線受表面離面位移調(diào)制產(chǎn)生畸變，畸變的柵線通過成像鏡頭成像到參考光柵上，形成云紋，由CCD相機(jī)記錄，通過分析云紋條紋圖像的位相變化計(jì)算離面位移。本發(fā)明可以根據(jù)測(cè)試需求靈活調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量面積、分辨率、測(cè)量范圍，即使進(jìn)行大面積物體的測(cè)試時(shí)也具有很高的分辨率與精度。而且本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高，采集的圖像經(jīng)由計(jì)算機(jī)后期處理，可實(shí)現(xiàn)快速批量化測(cè)量。此外，整套系統(tǒng)抗外界環(huán)境干擾強(qiáng)，適于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
【專利說明】
基于投影云紋方法的離面位移測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于投影云紋方法的離面 位移測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前能夠?qū)崿F(xiàn)全場(chǎng)離面位移測(cè)量的主要是各種光學(xué)測(cè)試技術(shù)，其中：比較成熟的 幾種方法有電子散斑干涉技術(shù)，攝影測(cè)量技術(shù)，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，投影條紋方法等。這些 方法各有其特定的應(yīng)用范圍和環(huán)境，測(cè)量范圍、測(cè)量面積和分辨率也各不相同。例如，電子 散斑干涉技術(shù)在理論上分辨率可以達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí)，但是其測(cè)量范圍很難達(dá)到毫米以上， 主要原因?yàn)楹撩琢考?jí)的離面位移會(huì)引起散斑場(chǎng)退相關(guān)甚至完全不相關(guān)。此外，用電子散斑 干涉方法測(cè)量較大面積物體時(shí)，需要價(jià)格昂貴的大功率激光器，成本很高。攝影測(cè)量技術(shù)可 以應(yīng)用于大結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量與監(jiān)測(cè)，例如建筑物、道路勘察、地質(zhì)勘探等。其缺點(diǎn)主要在于 測(cè)量時(shí)需在被測(cè)物表面預(yù)先粘貼靶標(biāo)，操作繁瑣且耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)在測(cè)量大面積物體時(shí)其分 辨率及精度受測(cè)量面積、靶標(biāo)設(shè)置密度、拍攝圖片數(shù)量、算法等多種因素的影響而顯得較 低?；陔p目立體視覺原理的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法受相機(jī)分辨率限制，其三維重建的分 辨率只能夠達(dá)到被測(cè)物體尺寸的1/50000。投影條紋方法因光路簡(jiǎn)單及抗振性較好被廣泛 應(yīng)用于多種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量面積可以簡(jiǎn)單地通過改變測(cè)量距離進(jìn)行調(diào)整，通常情況下可以 達(dá)到1/10條紋節(jié)距的測(cè)量分辨率，但由于投影設(shè)備的非線性，用相移技術(shù)得到的條紋位相 圖往往存在一定的紋波，降低其分辨率。
[0003] 上述的各種測(cè)試技術(shù)，包括電子散斑干涉技術(shù)，攝影測(cè)量技術(shù)，數(shù)字圖像相關(guān)技 術(shù)，投影條紋方法在測(cè)量面積與測(cè)量分辨率之間都存在不可調(diào)和的矛盾，無法實(shí)現(xiàn)大面積、 大范圍、高分辨率的離面位移測(cè)量。
[0004] 經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN102768020A公開（公告）日 2012.11.07，公開了一種基于數(shù)字條紋投影技術(shù)測(cè)量微小物體表面高度的測(cè)量系統(tǒng)及其方 法。該測(cè)量系統(tǒng)包括工作平臺(tái)、電視顯微鏡鏡頭、透鏡組和微型投影儀，電視顯微鏡鏡頭垂 直于工作臺(tái)朝下擺放，微型投影儀的鏡頭向下與電視顯微鏡鏡頭擺放在同一平面，透鏡組 放置在微型投影儀的鏡頭前，用來聚焦微型投影儀投出的正弦條紋圖像，待測(cè)物體放置于 工作平臺(tái)上;再對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，獲得待測(cè)物體表面的最終相位，可獲得待測(cè)物體的表 面高度。但該技術(shù)無法根據(jù)測(cè)試需求改變系統(tǒng)的測(cè)量面積，只能實(shí)現(xiàn)微小物體的測(cè)量；由于 采用投影儀進(jìn)行正弦條紋投影，投影儀的非線性使得投出的條紋并不滿足正弦規(guī)律，在此 基礎(chǔ)上利用相移算法計(jì)算相位會(huì)產(chǎn)生很大誤差;相同測(cè)試環(huán)境下投影條紋方法的測(cè)量分辨 率遠(yuǎn)低于投影云紋方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于投影云紋方法的離面位移測(cè) 量系統(tǒng)及方法，在投影條紋方法的基礎(chǔ)上，引入幾何云紋技術(shù)，將被測(cè)物體表面的柵線成像 到另一參考光柵上形成云紋，CCD相機(jī)對(duì)參考光柵精確成像，采集到的是云紋條紋圖像，而 不是柵線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的無失真放大，降低了對(duì)硬件的要求，也極大地提高系統(tǒng)的分辨 率，解決測(cè)量面積與測(cè)量分辨率之間的矛盾。同時(shí)系統(tǒng)的測(cè)量面積與測(cè)量分辨率可以簡(jiǎn)單 地通過改變鏡頭焦距、投影距離、光柵節(jié)距來調(diào)整。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明涉及一種基于投影云紋方法的離面位移測(cè)量系統(tǒng)，包括:柵線投影系統(tǒng)、圖 像采集系統(tǒng)和與之相連的圖像處理系統(tǒng)，其中：柵線投影系統(tǒng)將柵線光投射至物體表面，經(jīng) 由圖像采集系統(tǒng)采集受物體表面離面位移及通過參考光柵調(diào)制后產(chǎn)生的若干個(gè)畸變圖像， 即云紋條紋圖像，通過圖像處理系統(tǒng)以相移算法計(jì)算得到變形前后對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)的位相，從 而得到全場(chǎng)離面位移。
[0008] 所述的柵線投影系統(tǒng)包括:依次設(shè)置的光源、投影光柵和投影鏡頭。
[0009] 所述的圖像采集系統(tǒng)包括:依次設(shè)置的成像鏡頭、帶有參考光柵的相移裝置以及 CCD相機(jī)。
[0010] 本發(fā)明涉及一種基于上述系統(tǒng)的離面位移測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0011] 1)根據(jù)測(cè)試需要，選擇合適節(jié)距的投影光柵，將柵線投影系統(tǒng)置于測(cè)量距離處；
[0012] 2)調(diào)節(jié)柵線投影系統(tǒng)中投影鏡頭的焦距，在被測(cè)物體表面形成清晰的柵線；
[0013] 3)調(diào)節(jié)圖像采集系統(tǒng)中成像鏡頭的焦距，將被測(cè)物體表面的柵線精確成像到圖像 采集系統(tǒng)中的參考光柵上從而形成云紋，并利用CCD相機(jī)拍攝記錄云紋圖像；
[0014] 4)利用相移裝置驅(qū)動(dòng)參考光柵沿其主方向平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)云紋圖像的相移，并記錄多 幅相移條紋圖，運(yùn)用相移算法計(jì)算得到變形前全場(chǎng)的位相；
[0015] 所述的相移算法是指：由于云紋條紋圖像滿足空間正弦分布規(guī)律，對(duì)應(yīng)所述的離 面位移的信息蘊(yùn)含在條紋的位相中，二者的具體關(guān)系滿足下述公式：?^，./)=〃(ζ，./)Λ(Λ./)， 其中：辦k/)為圖像上第i行j列的像素點(diǎn)的條紋位相值，a(i，j)為該像素點(diǎn)處的靈敏度系 數(shù)，h(i，j)為待求的離面位移。
[0016] 所述的靈敏度系數(shù)a( i , j)由系統(tǒng)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)位置決定，具體為：
[0017]
其中：fi為投影鏡頭 的焦距，&1(? = 1···9)表征的是投影坐標(biāo)系到參考平面坐標(biāo)系的變換關(guān)系，P為光柵節(jié)距， (XB，yB)為測(cè)點(diǎn)在參考平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（χρ，yp, ζρ)為投影坐標(biāo)系原點(diǎn)在參考平面坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)。
[0018] 5)變形后，重復(fù)步驟4)所述的相移操作，得到變形后對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)的位相；
[0019] 6)將步驟4)和5)所獲得的變形前后全場(chǎng)位相相減，得到物體表面離面位移引起的 條紋位相變化，從而根據(jù)如t到全場(chǎng)離面位移，其中：Δ<Κ/,./)為第i行j列的像 素點(diǎn)的條紋位相變化值。
技術(shù)效果
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以根據(jù)測(cè)試需求靈活調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量面積、分辨率、測(cè) 量范圍，即使進(jìn)行大面積物體的測(cè)試時(shí)也具有很高的分辨率與精度;本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的自 動(dòng)化程度高，采集的圖像經(jīng)由計(jì)算機(jī)后期處理，可實(shí)現(xiàn)快速批量化測(cè)量;本發(fā)明對(duì)硬件要求 不高，價(jià)格低廉，且工作時(shí)能耗低;系統(tǒng)各元件整合在殼體內(nèi)，抗外界環(huán)境干擾能力強(qiáng)，便于 攜帶，適合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0022]圖中：光源1、投影光柵2、投影鏡頭3、殼體4、CCD相機(jī)5、參考光柵6、相移裝置7、成 像鏡頭8、殼體9、圖像處理控制系統(tǒng)10;
[0023]圖2為云紋條紋圖像；
[0024]圖3為靈敏度系數(shù)標(biāo)定結(jié)果；
[0025]圖4為重建的物體三維形貌；
[0026]圖5為系統(tǒng)的測(cè)量誤差示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，本實(shí)施例包括:光源1、兩個(gè)光柵2和6、兩個(gè)變焦鏡頭3和8、CCD相機(jī)5、 相移裝置7、殼體4和9、圖像處理控制系統(tǒng)10,其中：光源1、投影光柵2、投影鏡頭3安裝在殼 體4內(nèi)，構(gòu)成投影系統(tǒng);CCD相機(jī)5、參考光柵6、相移裝置7、成像鏡頭8安裝在殼體9內(nèi)，構(gòu)成圖 像采集系統(tǒng)；圖像處理控制系統(tǒng)10分別與相移裝置7與CCD相機(jī)5相連，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)參考光柵 6產(chǎn)生相移的同時(shí)采集對(duì)應(yīng)的云紋條紋圖像。
[0028]所述的光源1，采用鹵素?zé)舭坠夤庠?，功?150W。
[0029] 所述的光柵2和6,為機(jī)刻透射光柵，節(jié)距根據(jù)測(cè)試需求的面積、分辨率等確定，作 用是對(duì)透過的光產(chǎn)生正弦調(diào)制。其中：光柵2用作投影柵線;光柵6用作參考，形成云紋。
[0030] 所述的變焦鏡頭3和8,為佳能EF 16-35mm f/2.8L型號(hào)變焦距短焦鏡頭，通過專用 的卡口固定在殼體4和9上。變焦范圍：16-35mm;最近對(duì)焦距離:0.28米，作用分別是投影和 接收物體表面的柵線。
[0031] 所述的殼體4和9,用于集成系統(tǒng)各組件，同時(shí)具有遮蔽環(huán)境雜散光干擾的作用。 [0032] 所述的CCD相機(jī)5,為Basler公司acA1600-20gm型工業(yè)相機(jī)，分辨率1600*1200,采 集云紋圖像。
[0033]所述的相移裝置7,為高精度壓電陶瓷平動(dòng)臺(tái)，閉環(huán)控制分辨率:7nm，與參考光柵6 連接，驅(qū)動(dòng)參考光柵6面內(nèi)平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)條紋相移。
[0034]所述的圖像處理控制系統(tǒng)10,分別通過RS232接口與千兆網(wǎng)線與相移裝置7和CCD 相機(jī)5連接，實(shí)現(xiàn)軟件控制條紋相移以及圖像采集。
[0035]本實(shí)施例中，投影系統(tǒng)由功率150W的鹵素?zé)艄庠?、投影光柵、商用變焦距短焦鏡頭 組成;接收系統(tǒng)由CCD相機(jī)、參考光柵、另一短焦鏡頭組成。通過投影系統(tǒng)將光柵投影到被測(cè) 物體表面，再由接收系統(tǒng)將物體表面的柵線成像到參考光柵上，形成云紋，并由CCD相機(jī)拍 攝記錄。實(shí)驗(yàn)中，投影系統(tǒng)與接收系統(tǒng)是任意放置的，兩系統(tǒng)的光軸夾角大約為30°。被測(cè)物 體為一圓盤，其最高點(diǎn)的高度為11mm，圓盤放置的位置距離測(cè)量系統(tǒng)大約500mm。圖2所示為 實(shí)驗(yàn)采集的云紋條紋圖像，圖中高頻柵線噪聲已經(jīng)利用discrete grid averaging的方法 從原始圖像中去除，處理后的條紋質(zhì)量是很高的。相移算法采用的是經(jīng)典的四步相移算法， 相移是通過高精度PZT平動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)參考光柵面內(nèi)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。圖2中藍(lán)色矩形框內(nèi)的靈敏度 系數(shù)分布標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。很顯然，全場(chǎng)靈敏度系數(shù)不是常數(shù)，且其沿著垂直于條紋的 方向從1.635到1.084單調(diào)變化。重建的圓盤三維形貌如圖4所示，結(jié)果表明測(cè)量的圓盤最高 處的高度為11. 〇24mm(與真實(shí)值的誤差為0.22%)。第650行的數(shù)據(jù)如圖5所示，理論上這些 像素點(diǎn)的高度應(yīng)為零，因?yàn)闆]有任何的離面位移。因此，這些數(shù)據(jù)實(shí)際上是代表了系統(tǒng)的測(cè) 量誤差。通常，我們用均方根值(RMS)來評(píng)價(jià)誤差大小，該行的RMS值僅為0.0063mm。
[0036]上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同 的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所 限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于投影云紋方法的離面位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括:柵線投影系統(tǒng)、圖 像采集系統(tǒng)和與之相連的圖像處理系統(tǒng)，其中：柵線投影系統(tǒng)將柵線光投射至物體表面，經(jīng) 由圖像采集系統(tǒng)采集受物體表面離面位移及通過參考光柵調(diào)制后產(chǎn)生的若干個(gè)崎變圖像， 即云紋條紋圖像，通過圖像處理系統(tǒng)W相移算法計(jì)算得到變形前后對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)的位相，從 而得到全場(chǎng)離面位移； 所述的柵線投影系統(tǒng)包括:依次設(shè)置的光源、投影光柵和投影鏡頭； 所述的圖像采集系統(tǒng)包括:依次設(shè)置的成像鏡頭、帶有參考光柵的相移裝置W及CCD相 機(jī)； 所述的圖像處理系統(tǒng)分別與相移裝置和CCD相機(jī)相連，W實(shí)現(xiàn)移動(dòng)參考光柵產(chǎn)生相移 的同時(shí)采集對(duì)應(yīng)的云紋條紋圖像。2. -種基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的離面位移測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 根據(jù)測(cè)試需要，選擇合適節(jié)距的投影光柵，將柵線投影系統(tǒng)置于測(cè)量距離處； 2) 調(diào)節(jié)柵線投影系統(tǒng)中投影鏡頭的焦距，在被測(cè)物體表面形成清晰的柵線； 3) 調(diào)節(jié)圖像采集系統(tǒng)中成像鏡頭的焦距，將被測(cè)物體表面的柵線精確成像到圖像采集 系統(tǒng)中的參考光柵上從而形成云紋，并利用CCD相機(jī)拍攝記錄云紋圖像； 4) 利用相移裝置驅(qū)動(dòng)參考光柵沿其主方向平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)云紋圖像的相移，并記錄多幅相 移條紋圖，運(yùn)用相移算法計(jì)算得到變形前全場(chǎng)的位相； 5) 變形后，重復(fù)步驟4)所述的相移操作，得到變形后對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)的位相； 6) 將步驟4)和5)所獲得的變形前后全場(chǎng)位相相減，得到物體表面離面位移引起的條紋 位相變化，從而根巧得到全場(chǎng)離面位移，其中：Δ口片./)為第i行j列的像素點(diǎn) 的條紋位相變化值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離面位移測(cè)量方法，其特征是，所述的相移算法是指：由于云 紋條紋圖像滿足空間正弦分布規(guī)律，對(duì)應(yīng)所述的離面位移的信息蘊(yùn)含在條紋的位相中，二 者的具體關(guān)系滿足下述公式：如J) = 口片./)WJ)，其中：口片_/)為圖像上第i行j列的像素點(diǎn) 的條紋位相值，a(i，j)為該像素點(diǎn)處的靈敏度系數(shù)，h(i，j)為待求的離面位移。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離面位移測(cè)量方法，其特征是，所述的靈敏度系數(shù)a( i，j)由系 統(tǒng)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)位置決定，具體為：其中：fi為投影鏡頭的焦 距，ai(i = l…9)表征的是投影坐標(biāo)系到參考平面坐標(biāo)系的變換關(guān)系，P為光柵節(jié)距，（xB，ye) 為測(cè)點(diǎn)在參考平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（xp，yp，zp)為投影坐標(biāo)系原點(diǎn)在參考平面坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK105841620SQ201610164222
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】陳巨兵, 姚駿, 唐穎, 周軼昊
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)