[發明專利]一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法

在審

• 申請號: 201410199251.7
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103940371A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 岳慧敏;趙必玉;吳雨祥;張博;劉永
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐

技術領域

本發明涉及將基于條紋投影輪廓術的三維測量方法結合曲波變換圖像去噪方法用于躍變物體三維面形測量的技術領域。

背景技術

隨著精密機械加工、汽車制造、精密光學加工、半導體行業、精密儀器制造、模具設計、逆向工程等領域的快速發展，人們日益迫切地希望能夠對面形躍變的工件物體進行精確測量，傳統的二維數據測量設備已不能滿足日趨現代化、自動化的生產要求，三維測量技術應運而生。

目前對躍變物體(主要是物體表面含有類似臺階的階梯狀形狀)面形(物體的表面形貌)的測量主要有接觸式三坐標測量儀、光學掃描、干涉儀等。但是，這些測量系統都對測量條件要求較高或是測量速度較慢或是測量范圍小或是測量精度不高，不適合躍變物體快速、高精度、大范圍的三維面形檢測，如接觸式三坐標機測量時間相當長(通常數小時以上)，而且可能破壞待測物體表面，干涉儀通常只能測量類平面或球面物體，無法測量自由曲面物體，且測量條件、環境要求苛刻，測量范圍非常的小。

近年來，提出一種基于條紋投影的三維測量方法。該方法是通過投影儀投射正弦條紋圖，經過被測躍變物體表面反射后條紋會發生變形。相機記錄下變形圖樣，經圖像處理得到相位分布，計算出被測物體的三維高度信息。因其速度快、精度高、非接觸、易操作的特點，得到了各行業的廣泛關注與應用。尤其是在工業精密零部件加工與制造、手機模型的檢測、半導體電路加工質量的檢測、逆向工程等領域，該光學三維面形測量方法起著非常重要的作用。

躍變物體進行高精度三維測量的難點在于不能準確獲取空間孤立的截斷區域的相位分布信息及相位展開。解決這一難題首先須要對圖像進行去噪處理，最后通過N步相移技術結合時間相位展開方法獲取準備的相位分布信息。

圖像去噪的方法包括中值濾波、傅里葉變換法、小波變換法、曲波變換法等。中值濾波可以有效的去除噪聲，但是造成明顯的圖像模糊現象。傅里葉變換法采用低通濾波器，但在濾除噪聲的同時也將由躍變物體面形引起的高頻信息成分濾除。小波變換發有很大改進，在分析信號局部特征時有很大優勢，但在對躍變物體等復雜面形圖像去噪時，仍然有一定的局限性，如造成躍變位置的移動變換，導致分辨率降低。曲波變換法具有多尺度、多方向的圖像分析能力，能避免頻譜混疊問題，它不僅能夠非常有效地去除圖像噪聲，而且能完好地保留躍變物體面形的細節信息，提高相位解調的精確度。

N步相移的相位提取算法和基于最小二乘擬合的時間相位展開算法能在提取相位和展開相位的同時能夠減少隨機噪聲以及由相機的非線性響應引入的非線性噪聲，避免空間點上噪聲的傳播，對空間孤立的躍變區域的相位展開有顯著優勢。

發明內容

本發明公開了一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，該方法將條紋投影輪廓術(FPP)并結合曲波變換(Curvelettransform)用于躍變物體(面形不連續、不平滑)的三維面形測量中。

本發明通過以下技術方案實現：一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，其特征在于包括以下幾個步驟：

一種用于躍變物體的高精度三維面形測量的方法，包括以下幾個步驟:

步驟1、投影儀向被測躍變物體投影強度呈正弦分布的條紋圖像，相機拍攝記錄被躍變物體面形所調制的條紋圖像，此時被測躍變物體表面的高度信息調制被在得到變形條紋的相位中；

步驟2、利用曲波變換對變形條紋進行圖像去噪處理，得到高信噪比的變形條紋圖；

步驟3、對經圖像去噪處理后的變形條紋圖進行相位解調，得到變形條紋的相位分布，此時解調得到的相位是截斷的，然后載頻去除和進行相位展開；

步驟4、得到連續的展開相位后，通過FPP的相位高度關系獲得躍變物體表面的三維高度信息。

上述技術方案中，所述步驟1中的變形條紋圖I(x,y)，可以表示為：

I(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[2πf₀(x,y)x+φ(x,y)]其中I(x,y)表示相機記錄的光強分布，A(x,y)是背景光強，B(x,y)是調制度分布，f₀(x,y)是載頻的頻率函數，φ(x,y)是與躍變物體表面高度相關的相位分布，(x,y)為變形條紋圖像的二維坐標。

上述技術方案中，所述步驟2中，變形條紋圖像進行圖像去噪處理，具體過程如下：

1)、采用二維連續曲波變換對變形條紋圖像I(x,y)進行處理，處理過程為：