[發明專利]一種基于條紋周期校正的復雜大物體三維測量方法

有效

• 申請號: 201310345986.1
• 申請日: 2013-08-10
• 公開（公告）號: CN103398675A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 伏燕軍;何興道;江光裕;夏桂鎖
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

技術領域

本發明涉及一種測量方法，尤其涉及一種基于條紋周期校正的復雜大物體三維測量方法。

背景技術

光柵投影法廣泛應用于物體的三維測量，三維測量技術是現代制造業的關鍵基礎技術之一，是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術。它為產品制造提供必需的三維數據，廣泛地應用于各種復雜工件的三維測量、質量控制、數字制造、逆向工程和虛擬制造等領域，具有很高的實用價值。采用光柵投影法進行物體三維形貌的測量，由于具有靈敏度高、非接觸、實時等優點，已經成為檢測物體三維形貌的一種重要測量手段。光柵投影法是將光柵條紋投影到被測表面上，光柵條紋在空域中被載波頻率所調制。該調制信號經濾波并解調，得到相應于被測物體表面高度的相位信息，最終重構出被測物體的表面輪廓。

光柵投影法測量物體的三維輪廓時，它一般采用單投影儀和單攝像機的相交軸系統。投影儀用于投射正弦光柵條紋到被測物體表面，攝像機用于對被物體調制的條紋成像。但是相交軸系統有如下問題：在進行三維測量時，參考平面上的正弦光柵條紋周期是一個很重要的參數，直接影響測量結果。當投影儀傾斜投影時，由于投影光線是發散的，參考平面上的正弦光柵條紋周期會出現展寬，它不是一個定值。參考平面上的相位分布不是線性分布，給測量帶來誤差，降低測量精度。對于小物體的測量，由于條紋周期展寬較小，采用了標定技術后，可以達到一定的測量精度。但是對于較大物體的測量，例如1-1.5米長，1米左右寬的物體，越偏離原點，條紋周期展寬得越嚴重，測量精度越低。所以條紋投影輪廓術只適用于小物體的測量，并且物體放置在原點附近比較好，從而限制了它的應用范圍。參考平面上的條紋周期展寬成為條紋投影輪廓術應用的一個主要障礙。

從國外來看：由于條紋投影輪廓術的優越性和廣泛的應用前景，很多研究者對其進行了研究。參考平面上的光柵條紋周期是一個重要的參數，許多研究者對其進行了深入研究，指出了光柵條紋周期展寬的問題，做了很多有意義的工作。國外相關文獻記載：第一，指出了在相交軸系統中，當投影儀傾斜投影時，一個周期均勻的光柵條紋投射到參考平面上時周期不是一個定值，并提出了一種誤差補償算法來進行修正。第二，分析得到了虛擬參考平面和參考平面上條紋周期的關系式。第三，分析得到了投影平面和參考平面的條紋周期關系，并且采用最小二乘法得到參考平面上的相位。第四，根據幾何分析得到了相位和被測物體高度之間的關系表達式。第五，針對在測量大物體時，條紋投影在參考平面上的等效波長不能看成一個定值的情況，推導了投影坐標、物體坐標和攝像機坐標三個坐標之間的數學關系式。得到一個不依靠恒等效波長的三維輪廓與相位之間的映射關系式，消除了由于等效波長變化引起的測量誤差。

從國內來看：國內研究者對條紋投影輪廓術及其應用也進行了深入研究，并取得了很好的成果。在條紋周期校正方面，國內相關文獻記載：第一，提出了一種利用靜態相位測量輪廓術分析參考平面截斷相位分布,?采用迭代算法逐步修正投影光柵條紋周期的方法。第二，提出了一種在參考平面上得到均勻周期條紋的方法。第三，分析了在投影儀正投，相機傾斜接收時，被測物體的高度和高度誤差的表達式。第四，提出了一種復雜面形的相交軸投影測量系統，在考慮了條紋周期展寬的基礎上，詳細論述了該系統的相位測量原理,物理面形與所求相位之間的關系。在像點位移誤差校正、鏡頭畸變校正、相移法、系統標定、相位去包裹和應用上進行了一系列的研究，做出了卓有成效的工作，豐富和發展了條紋投影輪廓術的理論。?

光柵投影法測量物體的三維輪廓采用相交軸系統時，由于傾斜投影，參考平面上的光柵條紋周期出現展寬，導致周期不是定值,當被測物體較大時，給測量帶來較大誤差。目前，國內國外尚未出現一種測量方法可以在投影儀平面上生成各個頻率五步相移的系列正弦光柵條紋(周期非均勻)，該條紋投影到參考平面上得到各個頻率五步相移的系列正弦光柵條紋(周期均勻)，各個頻率滿足指數序列的時間相位展開法的條紋頻率變化規律，實現復雜大物體的高精度三維測量。

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本發明的目的在于提供一種基于條紋周期校正的復雜大物體三維測量方法，該測量方法提出了基于條紋周期校正的五步相移法和時間相位展開方法，實現復雜大物體高精度的三維測量。