本发明专利技术涉及一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，该方法利用计算机生成三种不同节距的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，投影设备将此蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面，和投影设备成一定角度的数字相机实时采集彩色的变形光栅条纹图像。计算机软件将此彩色图像进行RGB三个通道的分离，采用B通道图像计算包裹相位和展开相位，然后采用两种不同的算法分别计算展开相位，根据两种算法之间的差值和误差函数求得最优的相位补偿值。最后根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵计算得到高温锻件表面各点的三维坐标，从而获得补偿后的精确图像。实践证明，该方法可以使相对测量精度由1/1000降低到1/1500。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维测量方法和仪器
，具体涉及一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，尤其涉及光学三维测量系统中利用结构光相移光栅条纹图像对高温锻件进行三维尺寸测量的精度补偿方法。
技术介绍
在实际测量中，数字相机采集的变形光栅条纹图像会受到环境噪声和投影设备的γ非线性等因素的影响，因此相位误差的误差不可避免被引入。为了减小环境光和γ非线性因素的对系统测量精度的影响，目前主要提出三种解决办法。其一是，Zhang et al等提出的，假设相位误差的主要误差的来源是投影仪的γ非线性，利用查表法可使包裹相位的精度提高到5.6倍，该方法可对投影仪的γ非线性引起的误差具有良好的抑制作用，但是对于由环境噪声引起的相位误差误差没有明显的抑制作用。其二是，Zhou et al等提出了建立环境光和相位误差之间关系的模型，使得相位误差明显减小。其三是，另外有学者提出的，通过利用两套初相位相差π/4的相移光栅条纹图像投射到物体表面，将两套光栅条纹图像的包裹相位取平均值，可以达到抑制γ非线性误差的目的，但是此方法需要投射两倍数量的光栅条纹图像，因此测量效率较低，并且，上述两种方法提出的减少误差的方法均是针对常温的被测物体提出的测量方法，对高温锻件的测量精度的误差并不适用。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于，针对上述缺陷，提供一种简单、快速、易于补偿的高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法。采用该方法后高温锻件的测量精度由1/1000降低到1/1500。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，包括以下步骤：步骤1：计算机生成三种不同节距为p1、p2、p3的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像；步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行通道的分离，采用具有较好正弦性能的通道图像进行计算；步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像的包裹相位计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值；步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p12，根据以下公式(2)得出： p 12 = p 1 · p 2 p 2 - p 1 - - - ( 2 ) ]]>步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：p1(N1+Δn1)＝p2(N2+Δn2)＝p3(N3+Δn3)＝p12(M12+Δm12),(3)其中，N1，N2，N3分别代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn1，Δn2，Δn3代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M12代表该同一位置点在节距为p12的合成条纹图像中处于的周期数，Δm12代表在该同一位置点在节距为p12的合成条纹图像中处于一个周期内的相对位置；同时，利用Δnj与包裹相位之间的关系，如公式(4)所示：然后根据上述公式(3)与(4)，推导得出合成包裹相位的条纹周期数M12与Δm12，步骤6：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M12，第一次计算节距为p1、p2的变形光栅条纹图像的展开相位φ1和φ2，计算公式(7)、(8)如下：步骤7：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M12，第二次计算节距为p1、p2的变形光栅条纹图像的展开相位Φ1和Φ2，计算公式(7)、(9)如下：其中，round为取整函数；步骤8：对步骤6与步骤7得出的φ1与Φ1以及φ2与Φ2进行比较，若两者的展位相位相等，则不需要对展开相位进行补偿；若两者存在差值，则需对展开相位进行补偿；精度补偿方法如下：i.假设存在差值为ξ，则ξ＝Φj﹣φj，j＝1，2 (10)ii.首选针对展开相位φ1与Φ1进行精度的补偿：根据公式(8)可知，φ1的测量误差dφ1是由包裹相位的误差产生，即根据公式(9)可知，Φ1的测量误差dΦ1是由包裹相位的误差产生，即根据步骤i与步骤ii中的公式(10)、(11)、(12)，可以得出如下关系式(13)：由关系式(13)可得出公式(14)：其中，是包裹相位的误差；iii.构建一误差函数公式(15)如下：利用公式(14)与公式(15)，并对该误差函数值取最小值，最后计算得出：iv.重复步骤ii与iii，同理得出：v.根据公式(9)、(16)、(17)可以得出，展开相位Φj补偿后的补偿展开相位为：步骤9：利用计算得出的补偿展开相位与展开相位Φj以及根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像。较佳地，利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行RGB三通道的分离。较佳地，变形光栅条纹图像进行RGB三通道的分离后，采用具有较好正弦性能的B通道图像进行计算。本专利技术的有益效果：本专利技术采用计算机产生的蓝色结构光投射到高温锻件表面，通过通道分离技术得到清晰的高温锻件表面变形光栅条纹图像。根据这些清晰的图像计算包裹相位和展开相位，然后采用两种不同的算法分别计算展开相位，根据两种算法之间的差值和误差函数求得最优的相位补偿值，由此可见，该方法简单、快速、易于补偿，并可以使相对测量精度由1/1000降低到1/1500。附图说明图1是本专利技术一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法的测量原理图；图2是被测的管件锻件加热到1200℃后获得的RGB三通道分离后的图像；图3是投影设备将蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面后获得的RGB三通道分离后的图像；图4是三种不同节距的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面后获得的B通道的图像；图5是三种不同节距的变形光栅条纹图像的包裹相位的图像；图6是合成包裹相位的图像；图7是合成包裹相位的条纹周期数M12的图像；图8是通过计算获得的展开相位Φ1的图像；图9是补偿前高温锻件的三维尺寸图像；图10是补偿后高温锻件的三维尺寸图像；图11是抽取图9与图10中第70行数据的对比图；图12是利用本专利技术的补偿方法对待测平板进行验证的测量过程中涉及的被测物图像、变形的彩色光栅条纹图像、分理后B通道的图像、包裹相位的图像以及展开相位的图像；图13是补偿前被测平板的三维尺寸图像；图14是本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算机生成三种不同节距为p1、p2、p3的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像；步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行通道的分离，采用具有较好正弦性能的通道图像进行计算；步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像的包裹相位计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值；步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p12，根据以下公式(2)得出：p12=p1·p2p2-p1---(2)]]>步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：p1(N1+Δn1)＝p2(N2+Δn2)＝p3(N3+Δn3)＝p12(M12+Δm12), (3)其中，N1，N2，N3分别代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn1，Δn2，Δn3代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M12代表该同一位置点在节距为p12的合成条纹图像中处于的周期数，Δm12代表在该同一位置点在节距为p12的合成条纹图像中处于一个周期内的相对位置；同时，利用Δnj与包裹相位之间的关系，如公式(4)所示：然后根据上述公式(3)与(4)，推导得出合成包裹相位的条纹周期数M12与Δm12，步骤6：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M12，第一次计算节距为p1、p2的变形光栅条纹图像的展开相位φ1和φ2，计算公式(7)、(8)如下：步骤7：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M12，第二次计算节距为p1、p2的变形光栅条纹图像的展开相位Φ1和Φ2，计算公式(7)、(9)如下：其中，round为取整函数；步骤8：对步骤6与步骤7得出的φ1与Φ1以及φ2与Φ2进行比较，若两者的展位相位相等，则不需要对展开相位进行补偿；若两者存在差值，则需对展开相位进行补偿；精度补偿方法如下：i.假设存在差值为ξ，则ξ＝Φj﹣φj，j＝1，2 (10)ii.首选针对展开相位φ1与Φ1进行精度的补偿：根据公式(8)可知，φ1的测量误差dφ1是由包裹相位的误差产生，即根据公式(9)可知，Φ1的测量误差dΦ1是由包裹相位的误差产生，即根据步骤i与步骤ii中的公式(10)、(11)、(12)，可以得出如下关系式(13)：由关系式(13)可得出公式(14)：其中，是包裹相位的误差；iii.构建一误差函数公式(15)如下：利用公式(14)与公式(15)，并对该误差函数值取最小值，最后计算得出：iv.重复步骤ii与iii，同理得出：v.根据公式(9)、(16)、(17)可以得出，展开相位Φj补偿后的补偿展开相位为：步骤9：利用计算得出的补偿展开相位与展开相位Φj以及根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像。...
【技术特征摘要】
1.一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算机生成三种不同节距为p1、p2、p3的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像；步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行通道的分离，采用具有较好正弦性能的通道图像进行计算；步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p1、p2、p3的变形光栅条纹图像的包裹相位计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值；步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p12，根据以下公式(2)得出： p 12 = p 1 · p 2 p 2 - p 1 - - - ( 2 ) ]]>步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：p1(N1+Δn1)＝p2(N2+Δn2)＝p3(N3+Δn3)＝p12(M12+Δm12), (3)其中，N1，N2，N3分别代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn1，Δn2，Δn3代表该同一位置点在节距为p1，p2，p3的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M12代表该同一位...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵贤凌，张华煜，郑晓华，田继红，白墅洁，刘建生，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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