[發明專利]一種高速結構光三維面形垂直測量方法

有效

• 申請號: 201410828534.3
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104655051B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 蘇顯渝;盧明騰;曹益平
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

本發明是一種采用投影單幀結構光圖像的高速三維面形垂直測量方法。在結構光投影裝置中采用一個特殊的組合投影鏡頭，該鏡頭包括一個普通投影鏡頭和一個柱透鏡。組合投影鏡頭將1幀正交光柵圖像成像在被測物體上，正交光柵水平條紋的像與垂直條紋的像被分離。CCD相機通過一個半透半反鏡從同一個方向同步獲取受到物體高度調制的正交光柵圖像。對采集的圖片進行傅里葉變換、濾波和逆傅立葉變換，得到正交光柵像的水平條紋分量與垂直條紋分量的調制度在物體表面的分布。利用事先標定所得的調制度值和高度的對應關系重建物體三維面形。本發明能實現通過單幀條紋圖拍攝即可重建物體三維形貌，具有實現高速垂直測量的特點。

技術領域

本發明涉及結構光投影光學面形測量技術，特別是涉及投影方向和探測方向共軸的高速三維面形垂直測量方法。

背景技術

三維物體表面輪廓測量，即三維面形測量，在計算機視覺、生物醫學、工業檢測、逆向工程、影視特效、產品質量控制等領域具有重要意義。光學三維傳感技術，由于其具有非接觸、高精度、易于自動控制等優點獲得很大發展。現有的光學三維傳感方法主要包括：三角測量法、莫爾條紋法(Moiré Topography，簡稱MT)、傅里葉變換輪廓術(FourierTransform Profilometry,簡稱FTP)、空間位相檢測術(Spatial Phase Detection,簡稱SPD)、位相測量輪廓術(Phase Measuring Profilometry,簡稱PMP)、調制度測量輪廓術(Modulation Measurement Profilometry,簡稱MMP)等，這些方法都是通過對受三維物體面形調制的空間結構光場進行解調制來獲得三維物體面形信息。大多數結構光三維測量系統，結構光投影方向和攝像機探測方向之間存在一個夾角，投影一個正弦光柵（直條紋）到被測三維表面，從另一個方向觀察到的是變形條紋，通過計算條紋的變形量重建三維面形。投影光軸和觀察光軸之間的夾角越大，變形量越大，重建精度越高。然而，對于復雜的三維面形，夾角越大可能產生的遮擋和陰影問題越嚴重。與三角測量相對應，將投影光軸和觀察光軸重合的測量方法稱為“垂直測量”。基于調制度測量的三維面形測量方法采用了垂直測量原理，從而擺脫了基于三角測量原理的光學三維傳感方法中陰影、遮擋等限制，可以實現表面高度變化劇烈或不連續的物體的測量（如：Likun Su, Xianyu Su, Wansong Li, andLiqun Xiang, Application of modulation measurement profilometry to objectswith surface holes, Applied Optics, 38(7),1999,1153-1158）。在現有的調制度測量輪廓術中，通常采用傅里葉變換對單幀圖像進行單獨處理，或者采用對每一位置采集N（N≧3）幀相移條紋圖利用N步相移方法計算調制度信息。若使用對每一位置采集N（N≧3）幀相移條紋圖利用N步相移方法計算調制度信息的方法，將增加掃描過程中圖像的采集數量，不僅影響了測量速度，而且還增加了圖像的采集數量。在已有的采用傅里葉變換獲取調制度的方法中，使用投影光柵調制度變化曲線的單邊，或者使在物方前后分離放置橫光柵和豎光柵條紋，分別得到兩光柵的調制度曲線并使之正交（如：Kasai Yoichiro, Miyamoto Yoko,Takeda Mitsuo, Tanaka Hideyuki, Gu Ruowei. Absolute 3-D Sensor with singlefringe-pattern recording. Proc SPIE, 2002;4900:173–7）。兩種方法均通過建立調制度與高度之間的映射關系實現三維面形測量：第一種方法，其調制度易受物體表面反射率不均強的影響；第二種方法在實現時，光路系統復雜，校準難度高，且由于在投影物方，橫豎兩光柵依次放置，使得兩光柵的像在通過光學系統后發生卷積，經傅里葉變換后，其頻譜容易在頻率域產生乘積項，致使引入誤差。應用本發明提及的在投影系統中采用一個普通投影鏡頭和一個柱透鏡構成的組合透鏡，將1幀正交光柵圖像投影在被測物體上時，正交光柵水平條紋的像面與垂直條紋的像面在投影方向上分離，可得到對應水平條紋和垂直條紋的分離的兩個調制度曲線，利用這兩條曲線建立高度映射關系后，每次只需在被測物體上拍攝單幀條紋，即可根據映射關系重構三維物體。該方法通過兩條調制度曲線，消除反射率不均強的影響，且其通過單幀圖像的處理即可得到物體高度的特點，可以應用于高速，甚至動態測量領域。