[發明專利]一種鏡面物體三維形貌測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201811596665.8
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109357632B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 張宗華;王月敏;高楠;孟召宗
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 王瑞

1.一種鏡面物體三維形貌測量方法，其特征在于執行所述方法的裝置包括電腦、主相機、從相機、折射顯示屏、反射顯示屏、半透半反鏡和固定裝置；所述電腦分別與主相機、從相機、折射顯示屏和反射顯示屏連接；主相機、從相機、折射顯示屏、反射顯示屏、半透半反鏡和固定裝置均固定在光學平臺上；折射顯示屏、反射顯示屏和半透半反鏡均與光學平臺垂直；固定裝置處于主相機和從相機的公共視場內；反射顯示屏經過半透半反鏡反射后的圖像光路與折射顯示屏上顯示的圖像光路的平行；反射顯示屏經過半透半反鏡反射后的圖像通過固定在固定裝置上的參考鏡面和待測鏡面物體所成的虛像均處于主相機的視場中；折射顯示屏上的圖像通過固定在固定裝置上的參考鏡面和待測鏡面物體所成的虛像均處于主相機和從相機的公共視場中；

該方法包括以下步驟：

1)調節裝置空間布局：將參考鏡面和待測鏡面物體先后固定在固定裝置上；折射顯示屏上的圖像通過參考鏡面和待測鏡面物體所成的虛像均處于主相機和從相機的公共視場中，能被主相機和從相機捕捉；反射顯示屏經過半透半反鏡反射后的圖像通過參考鏡面和待測鏡面物體所成的虛像均處于主相機的視場中，能被主相機捕捉；調節半透半反鏡在折射顯示屏和反射顯示屏之間的位置和角度，使反射顯示屏經過半透半反鏡反射后的圖像光路與折射顯示屏上顯示的圖像光路平行，并調節折射顯示屏、反射顯示屏和半透半反鏡均與光學平臺垂直；

電腦、主相機、從相機、折射顯示屏和固定裝置構成雙目系統；電腦、主相機、折射顯示屏、反射顯示屏、半透半反鏡和固定裝置構成雙屏系統；

2)產生條紋圖像：

2.1)利用電腦分別生成三組滿足最佳三條紋選擇的水平豎直交叉正弦條紋圖像，條紋個數滿足最佳三條紋選擇算法，且每組水平豎直交叉正弦條紋包含四幅彼此間在水平和豎直方向均有90°相位移動的正弦條紋，其中水平條紋被調制在紅色通道中，豎直條紋被調制在藍色通道中，得到三組紅藍水平豎直交叉條紋圖像；

2.2)采用與步驟2.1)相同的方法生成三組滿足同樣個數的豎直正弦條紋圖像，每組豎直正弦條紋圖像包含四幅彼此間有90°相位移動的正弦條紋圖像，豎直條紋被調制在藍色通道中，得到藍色豎直條紋圖像；

3)采集條紋圖像：

將步驟2.1)得到的三組紅藍水平豎直交叉條紋圖像依次顯示在折射顯示屏上，主相機和從相機采集先后經過參考鏡面與待測鏡面物體反射后的虛像，并將得到的變形紅藍交叉條紋圖像存儲到電腦中供后續處理；將步驟2.2)得到的藍色豎直條紋圖像顯示在反射顯示屏上，主相機采集先后經參考鏡面與待測鏡面物體反射后的虛像，并將得到的變形藍色條紋圖像存儲到電腦中供后續處理；參考鏡面安裝于固定裝置上，位置與待測鏡面物體相同；

4)相位計算：對步驟3)采集到的變形紅藍交叉條紋圖像經過紅、藍顏色通道分離得到變形紅色條紋圖像和變形藍色條紋圖像；

4.1)水平相位計算，對分離后得到的三組變形紅色條紋圖像采用四步相移法處理得到三幅紅色通道折疊相位圖，將三幅紅色通道折疊相位圖利用最佳條紋選擇算法得到水平相位的展開相位圖；

4.2)豎直相位計算，采用與步驟4.1)相同的方法，對變形藍色條紋圖像處理得到豎直相位的展開相位圖；

5)區域分離：將步驟4)計算所得展開相位數據進行區域分離，連續區域的待測鏡面物體表面信息使用雙目系統利用梯度積分方法進行計算；非連續區域的待測鏡面物體表面信息使用雙屏系統利用直接相位測量偏折術進行計算；

6)標定測量裝置，為建立展開相位圖與待測鏡面物體表面的三維形貌間的關系提供所需參數；

7)連續區域待測鏡面物體表面信息測量：對連續區域的待測鏡面物體表面信息采用立體視覺的方法進行測量；由光線的反射定律可知，物點一定處于反射光線上且物點的法向量唯一，因此可通過假設物點在反射光線上的位置尋找主相機和從相機中的法向量相同物點位置來確定物點的法向量；

7.1)計算物點在主相機中的法向量：根據公式(1)可通過展開相位得到主相機成像平面像素點與折射顯示屏上投射點P(u，v)的映射關系；

公式(1)中：u為投射點在折射顯示屏上的橫坐標，v為投射點在折射顯示屏上的縱坐標；q為豎直條紋的周期，q_s為水平條紋的周期；為主相機成像平面像素點的豎直條紋展開相位，為主相機成像平面像素點的水平條紋展開相位；

假設物點的高度后，根據入射光線和反射光線的方向向量即可確定物點處的法向量，其中入射光線單位方向向量反射光線單位方向向量與法線單位方向向量的關系如下所示：

7.2)計算物點在從相機中的法向量：由假設物點的位置與從相機的光心位置計算經過該物點反射進入從相機的反射光線的方向向量，然后根據公式(2)計算物點在從相機中的法向量；

7.3)計算物點法向量：比較物點在主相機和從相機中的法向量；當兩個法向量重合時認為假設的物點高度為實際物點高度，與之對應的法向量為實際物點法向量；若兩個法向量不重合，重新假設物點高度后重復步驟7.1)和步驟7.2)直至滿足兩個法向量重合；

7.4)積分恢復待測鏡面物體表面三維形貌：通過步驟7.3)得到物點處的法向量后，對物點梯度進行積分來恢復待測鏡面物體表面的三維形貌；

8)非連續區域待測鏡面物體表面信息測量：使用直接相位測量偏折術根據公式(3)對非連續區域的待測鏡面物體表面三維形貌進行測量；

公式(3)中：h為待測鏡面物體表面相對于參考鏡面的深度；d為參考鏡面與反射顯示屏經過半透半反鏡反射后所成圖像之間的距離；Δd為折射顯示屏與反射顯示屏經過半透半反鏡反射后所成圖像之間的距離；為參考鏡面反射的反射顯示屏的絕對相位值，為參考鏡面反射的折射顯示屏的絕對相位值；為待測鏡面物體表面反射的反射顯示屏的絕對相位值，為待測鏡面物體表面反射的折射顯示屏的絕對相位值；

9)區域拼接：以主相機像素為基準，將連續區域與非連續區域拼接到一起，恢復整個待測鏡面物體表面的三維形貌。