[發明專利]一種基于π相移方法的三維面形垂直測量方法

有效

• 申請號: 201811622948.5
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109631798B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 鐘敏;陳鋒;肖朝
• 申請（專利權）人: 成都信息工程大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所(普通合伙) 11308
• 代理人: 常桑

本發明公開了一種基于π相移方法的三維面形垂直測量方法，其特征在于掃描過程中的每一位置處采集兩幅條紋圖，兩者相減并作傅立葉變換；選取適當的濾波窗提取基頻信息，計算出該位置處的調制度分布，進而利用調制度和高度的對應關系重建物體三維面形。該方法不僅避免了傳統相移技術拍攝圖像數目多的問題，相移不準確等問題，同時還消除了零頻對基頻信息的影響，有效地避免了傅里葉變換方法中因頻譜混疊而出現的基頻無法正確提取等問題，在三維面形輪廓術以及機器視覺等領域的應用具有重要的意義和廣闊的應用前景。同時所設計的結構光柵能夠實現光柵在投影方向精確地進行π相移操作，有效避免傳統相移技術相移不準確等問題。

技術領域

本發明涉及結構光投影三維面形測量技術，具體地說是一種投影方向和條紋圖探測方向共軸的基于π相移方法的三維面形垂直測量方法。

背景技術

基于結構光照明的三維傳感技術可以保存物體的三維空間信息，并由此重建被測物體的三維面形。該技術具有非接觸、高精度、高效率、大信息容量以及快速度等特點，已被廣泛應用于工業檢測、機器視覺、實物仿形、影視特技等領域。其中，基于條紋投影的三維傳感方法按照其測量系統的結構可分為兩大類：基于三角原理的光學三維面形測量技術和基于垂直原理的光學三維面形測量技術。

基于三角原理的光學三維面形測量技術可分為單幀條紋處理技術和多幀條紋處理技術，單幀條紋處理技術主要包括：傅里葉變換輪廓術、窗口傅里葉變換輪廓術、小波變換輪廓術以及S變換輪廓術；而多幀條紋處理技術則主要指相位測量輪廓術；在基于三角原理的光學三維面形測量技術的結構系統中，投影光軸和觀察光軸之間存在著一個夾角，并且夾角越大，測量精度越高。當投影一個正弦光柵到被測物體的表面上時，在另一個方向由探測器檢測到的將是變形條紋，該條紋的變形量包含了物體的高度信息，即以條紋相位作為信息載體。然而，在對表面高度變化劇烈或者不連續的物體進行測量時，由于夾角的存在，很有可能導致陰影和遮擋等問題的出現，由此使得該技術無法正確分析和重建被測物體的三維面形，應用范圍也因此受到一定的限制。

針對三角測量法存在的局限性，基于垂直原理的光學三維面形測量技術能有效地避免這些問題的出現。該技術主要包括調制度測量技術和對比度測量技術。在垂直測量法的結構系統中，投影光軸重合于觀察光軸，即光柵投影方向與探測器獲取條紋方向一致；基于調制度原理的測量技術將被測物體的深度信息編碼在條紋的模糊程度中，利用相移算法或者傅里葉變換方法獲取調制度分布，從而恢復被測物體的三維面形。該技術不需要進行相位展開即可重建被測物體的三維面形。因此，它不僅可以避免三角測量法中所存在的陰影、遮擋的問題，還避免了相位展開過程中可能存在不連續的現象，可以實現對表面高度變化劇烈或者不連續的物體進行較為精確的測量。

調制度分布的計算可以采用傅里葉變換方法以及相移方法。傅里葉變換方法屬于單幀條紋處理技術，該技術在掃描過程中的每個位置只需采集單幀條紋圖，通過濾波窗提取條紋的基頻信息計算出調制度值的分布。但是如果基頻和其它頻率出現混疊現象，利用傅里葉變換方法提取調制度值的計算將存在較大誤差；相移方法屬于多幀條紋處理技術，該技術需要在光柵掃描被測物體的過程中，每個位置至少拍攝3幀條紋圖，測量較為耗時。同時，在投影過程中，需要精密的平移臺完成光柵的相位移動，相移的準確性直接影響到測量的精度。

綜上可知，在現有技術均受到不同程度的限制，因而無法精確地進行三維面形垂直測量。

發明內容

針對調制度測量輪廓術圖片采集數量多以及頻譜混疊的缺陷，本發明提供了一種利用π相移方法提取調制度信息實現三維面形垂直測量方法，以有效解決背景技術中所提及的技術問題。

一種基于π相移方法的三維面形垂直測量方法，包括如下步驟：

S1、基于能夠完成π相移的光柵結構，標定測量系統以建立條紋圖的調制度和高度的映射關系；

S2、獲取光柵掃描被測物體時，光柵的像投影在被測物體表面上的條紋圖；