[發明專利]三維光學測量中基于三灰階空間脈沖寬度調制的正弦光柵構造方法

有效

• 申請號: 201210275349.7
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN102914276A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 陳錢;左超;顧國華;馮世杰;錢惟賢;任侃;隋修寶;何偉基;任建樂;李如斌;申國辰;封芳瀟雨
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，特別是一種三維光學測量中基于三灰階空間脈沖寬度調制的正弦光柵構造方法。?

背景技術

自國際光學學會首次把光學三維傳感列為信息光學前沿七個主要領域和方向之一以來，隨著計算機技術、光學和光電技術的發展，新的光學三維傳感和計量方法不斷涌現。主動三維測量技術中最具代表性的結構光三維測量方法采用不同的投射裝置向被測物體投射不同種類的結構光，并拍攝經被測物體表面調制而發生變形的結構光圖像，然后從攜帶有被測物體表面三維形貌信息的圖像中計算出被測物體的三維形貌數據。其在機器視覺、逆向工程、工業自動化加工檢測和實物仿型、文物遺產保護等領域展現了強大的生命力和巨大的應用潛力。?

近年來，隨著數字投影技術的發展，眾多研究機構開始使用數字光學投影設備(LCD、DLP投影儀)來替代物理光柵，數字投影設備可以利用計算機編程方便地產生高精度相移光柵圖像，以降低設備的開發和使用成本。通過數字投影設備向待測物體投影光柵條紋，并由圖像采集設備在另一個角度采集到經過物體表面形變扭曲的光柵圖像。從這些光柵圖像中恢復出相位信息，最終將獲取的相位信息通過三角關系轉換為被測物體的三維坐標信息。但是，由于數字投影設備伴隨而來響應的非線性，也為結構光測量技術引入了一個新的科學問題—光柵的非正弦性問題。由投影儀的響應的非線性引起的非正弦波形誤差，成為了影響基于光柵投影三維測量精度的主要因素。如果投影出的光柵條紋的正弦性較差，那么通過這些光柵圖像中恢復出相位信息就不可避免的含有高次諧波引入的誤差，從而大大影響最終三維測量的精度。?

現有的減小伽馬非線性引起的測量誤差的方法包括：雙三步相移算法,預先標定投影系統非線性，直接修正投影儀的非線性變形等。上述幾種方法可以一定程度的提高測量精度，但普遍存在如下幾大問題:（1）需要繁雜的標定手續；（2）需要額外采集光柵條紋圖像；（3）需要額外的后期處理算法補償；（4）難以完全消除相位誤差。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種三維光學測量中基于三灰階空間脈沖寬度調制的正弦光柵構造方法，通過計算機生成三灰階空間脈沖寬度調制的光柵編碼條紋圖像，然后由數字投影設備投射光柵編碼條紋圖像，最后將投影設備輕微離焦，由此簡單有效的獲得理想正弦光強分布的光柵條紋圖像。?

實現本發明目的的技術解決方案為：一種三維光學測量中基于三灰階空間脈沖寬度調制的正弦光柵構造方法，步驟如下：?

第一步，光柵編碼：通過計算機生成光柵編碼條紋圖像，即首先由計算機生成理想單周期正弦波，其頻率記作為f₀，根據理想單周期正弦波的周期寬度選擇三角波載波頻率f_c；然后再由計算機生成一個具有π相位差的頻率為f_c的三角波，并將兩三角波分別與理想單周期正弦波進行幅值比較，生成兩個二值化脈沖寬度調制波；再將兩個二值化脈沖寬度調制波作差，得到單周期的編碼圖像，最終的光柵條紋圖像將單周期的編碼圖像進行周期嚴拓生成；?

第二步，投射光柵：將計算機生成的光柵條紋圖像傳輸給數字投影設備投射光柵編碼條紋圖像；?

第三步，投影儀散焦：最后將投影設備離焦，由此獲得理想正弦光強分布的光柵條紋圖像。?

本發明與現有技術相比，其顯著優點：不需要對于投影儀進行繁雜的非線性標定，也不需要額外光柵條紋或后期的補償算法，無需額外增加硬件設施，獲得標準（即理想）的正弦光強分布的光柵條紋圖像，簡單易行，具有很好的應用前景。?

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。?

附圖說明

圖1為本發明提出的基于三灰階空間脈沖寬度調制的正弦光柵構造方法示意圖。圖1(a)為計算機生成兩個相位相差π的頻率為f_c的三角波與單周期的頻率為f₀正弦波；圖1(b),(c)分別為兩個三角波與正弦波幅值比較得到的兩個二值化脈沖寬度調制波。圖1(d)為(b)與(c)波形作差得到的一個周期的編碼圖像。?

圖2為計算機生成的光柵條紋圖像傳輸給數字投影設備投射光柵編碼條紋圖像的示意圖。?

圖3為數字投影儀的對焦環與變焦環所在位置的示意圖。?

圖4(a)原始三灰階光柵，其中條紋寬度為80像素/周期，三角波載波頻率f_c=8f₀；.(b)通過投影儀投影后圖像采集設備采集到的光柵條紋；(c)圖(b)的頻譜。?

具體實施方式