[發明專利]一種基于條紋投影原理的物體三維面形測量系統及方法

在審

• 申請號: 201710903975.9
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107726996A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 劉丹佶;岳慧敏;潘志鵬;吳雨祥
• 申請（專利權）人: 劉丹佶;電子科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙)51232
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于物體三維測量技術領域，特別涉及一種基于條紋投影原理的物體三維面形測量系統及方法。

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，傳統的二維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。目前對物體的三維面形測量主要有接觸式三坐標測量儀、光學掃描、干涉儀等。但是，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。

基于條紋投影的三維測量方法成為了近年來人們最為關注的三維面形測量方法之一。因為這一方法具有快速、精度較高、系統成本低、測試條件要求低等優勢，所以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、逆向工程等領域起著非常重要的作用。這一方法一般是通過投影儀將結構光條紋圖投影在待測物體表面，然后由相機記錄下待測物體表面的變形圖樣，再經相位解調等步驟得到變形條紋的相位分布，計算出被測物體的三維高度信息，因此具有速度快、精度高、非接觸、易操作的特點。然而傳統基于條紋投影的三維測量系統由于需要相機、投影儀及計算機等設備，無法實現便攜，并且操作過程比較復雜，使得其應用十分局限，無法在廣大的消費群體中推廣。同時，伴隨著電商行業的發展和日益增長的個性化定制需求，普通消費者用戶希望能夠使用的簡易三維面形測量裝置，比如：對面部、手、腳進行粗略的三維測量，進而對個性化定制眼鏡框架、線上選購手套、皮鞋等物件提供參考。消費者對于物體三維面形測量系統的便攜性和操作簡易性的需求顯得越來越重要。因此，亟需尋找一種能解決目前三維面形測量系統存在便攜性差和操作復雜的方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于：本發明采用一部帶有閃光燈的智能拍照手機和安裝在手機閃光燈上的微型光學幻燈投影元件構建得到經濟、便攜的物體三維面形信息測量系統，并且運用這一測量系統獲取三維面形信息的還具有操作簡單、測量速度快的優勢，有利于三維面形測量系統在日常生活中的應用。

為了解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：

一方面本發明提供一種基于條紋投影原理的物體三維面形測量系統，其特征在于：包括具有閃光燈功能、圖像采集功能和數據處理功能的智能手機，所述智能手機上還具有微型光學幻燈投影元件，所述微型光學幻燈投影元件至少包括透鏡和透明膠片，所述透明膠片上具有正弦條紋圖像，微型光學幻燈投影元件緊貼在手機閃光燈罩上，開啟閃光燈能夠使得正弦條紋投影并完全覆蓋在待測物體表面，圖像采集模塊能夠采集待測物體表面調制后得到的變形條紋圖像，經數據處理模塊處理即能夠在智能手機顯示屏上顯示測量得到物體表面的三維面形信息。進一步地，待測物體表面、光學投影元件和手機攝像頭在空間上的位置滿足反射定律。

另一方面本發明還提供一種基于條紋投影測量物體三維面形的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟A：組裝測量系統；

選擇具有閃光燈功能、圖像采集功能和數據處理功能的智能手機，在智能手機閃光燈罩上安裝光學幻燈投影元件，所述微型光學幻燈投影元件至少包括透鏡和透明膠片，所述透明膠片上具有正弦條紋圖像；

步驟B：采集圖像；

調整手機位置使得攝像頭正對待測物體表面，定義手機攝像頭和待測物體表面之間的距離為L，定義手機攝像頭中心與閃光燈中心的距離為d；開啟閃光燈使得微型幻燈關學投影元件將其內正弦條紋投影到待測物體表面，而后采集得到經待測表面調制后得到的變形條紋圖像；

步驟C：圖像數據處理；

通過智能手機數據處理模塊進行相位解調得到變形條紋的相位并進行相位展開，根據相位高度映射關系求得高度值，即可得到物體表面的三維面形信息。

進一步地，本發明中圖像數據處理具體如下：

所述步驟B中正弦條紋的表達式如下：

I₀(x,y)＝A+Bcos(2πf₀x)

式中：A表示背景光強，B表示調制度分布，f₀表示載頻的頻率；

則采集得到變形條紋圖像表達式采用如下表示：

式中：A表示背景光強，B表示調制度分布，f₀表示載頻的頻率，表示經待測物體表面調制后引入的附加相位；

采用傅里葉變換調解變形條紋相位得到如下表達式：