基于结构光的单频率三步相移三维测量方法技术

本发明专利技术属于三维测量技术领域，具体公开一种基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，本发明专利技术投影仪只需播放三张图片，相机只需拍摄三张图片的情况下就能完成平面起伏的检测，大大加快了检测速度，简化了检测逻辑，提升了检测前基底数据的获取效率。本发明专利技术可以在极短时间(<2s)内获得一个平面精确的起伏情况分析，其Z方向分辨率可高达5μm。对于平面度要求较高的工业场景有极大作用，如增材制造铺粉、大面积涂覆、平面均匀度检测等。尤其对于高像素大幅面检测，可以大大降低图片采集与计算的时间。本发明专利技术相比现有的多频外差方式，具有计算量小、求解速度快的特点。求解速度快的特点。求解速度快的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于结构光的单频率三步相移三维测量方法


[0001]本专利技术属于三维测量
，具体涉及一种基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，相比现有的多频外差方式，具有计算量小、求解速度快的特点，适合于高像素大幅面的快速检测。

技术介绍

[0002]条纹投影轮廓术因其高速、高精度、非接触、全场测量、快速信息获取等优点，在三维测量中有重要意义，已广泛应用于工业制造、文物保护、医疗等诸多领域。参见专利号CN201810470370.X公开的双频外差与相移编码相结合的三维测量方法所详述的，现有三维测量系统包括DLP投影仪、相机、工作站、测量支架、参考平面和待测物体；DLP投影仪和CCD机相放在测量支架上；DLP投影仪、CCD相机分别通过数据线连接工作站；待测物体放在参考平面上；工作站内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体表面，由相机采集条纹信息，经过工作站处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪光轴和相机光轴相交于O点。DLP投影仪和相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l0。被测物体的高度计算公式为：
[0003][0004]其中f
y
为参考平面上的正弦条纹在竖直方向上的分频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
[0005]目前幅面检测有很多时间解包裹方式，较为常用的有多频外差方式，如上述专利号CN201810470370.X公开的双频多差与相移编码相结合的三维测量方法。多频外差原理基本思想是利用合成的条纹图使其周期能覆盖被测对象，然后以合成的相位图的相位值来解得原始条纹的相位。此方法利用合成的低频的测量结果来确定原始的高频测量时相位展开值，从而就能够得到真实相位，为了在全场范围内准确地进行相位展开，必须选择合适的频率值，使得频率值的和唯一，这在实际部署时会造成一定限制，且每次采集的图片数量较多，对于大幅面高像素场合会消耗更多算例。而本专利技术受到多频外差的启发，专利技术一种仅仅依赖一个频率的三步相移三维重建方法，相比现有的多频外差方式，具有计算量小、求解速度快的特点，适合于高像素大幅面的快速检测。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供的一种基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，相比现有的多频外差方式，具有计算量小、求解速度快的特点，适合于高像素大幅面的快速检测。
[0007]本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，包括如下步骤：
[0009]1)生成单频率的正弦条纹图案：根据实验需求选择条纹的频率f，设置三步相移正弦条纹I1，I2，I3，其强度表示为：
[0010][0011][0012][0013]其中，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强，是待求相位；
[0014]2)播放正弦条纹图案：通过投影仪向参考平面和待测物体上投射频率为f的正弦条纹图案I1，I2，I3，用相机采集待测物体上调制后的三步相移正弦条纹图案I1，I2，I3，并传送至计算机，计算机通过以下公式计算获得包裹相位与
[0015][0016][0017]其中，为每次测量必须得到的相位；为基底相位，同时负责在下一步解相位包裹时完成相位缝合，只需拍摄一次而不需要每次都获取；
[0018]3)解相位包裹：通过以下公式计算与得到绝对相位
[0019][0020]4)利用以下相位
‑
高度公式，得到待测物体表面每一点的高度信息：
[0021][0022]其中，投影仪和相机位于同一高度，d为投影机和相机之间的距离，l0为投影仪和相机到参考平面的距离，f
y
为参考平面上的正弦条纹在竖直方向上的分频率；为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
[0023]优选地，所述f在1Hz到1000Hz之间设定。
[0024]本专利技术的有益效果：本专利技术投影仪只需播放三张图片，相机只需拍摄三张图片的情况下就能完成平面起伏的检测，大大加快了检测速度，简化了检测逻辑，提升了检测前基底数据的获取效率。本专利技术可以在极短时间(<2s)内获得一个平面精确的起伏情况分析，其Z方向分辨率可高达5μm。对于平面度要求较高的工业场景有极大作用，如增材制造铺粉、大面积涂覆、平面均匀度检测等。尤其对于高像素大幅面检测，可以大大降低图片采集与计算的时间。本专利技术相比现有的多频外差方式，具有计算量小、求解速度快的特点。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术的三步相移正弦条纹图；
[0027]图2为本专利技术的单频外差原理图，图中折线代表从二维数据中提取的一维向量；
[0028]图3为包裹相位以及使用单频外差求解的绝对相位
[0029]图4为本专利技术提供的单频率三步相移三维测量方法的流程图。
具体实施方式
[0030]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0031]如图1
‑
4所示，本实施例提供的基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，包括如下步骤：
[0032]1)生成单频率的正弦条纹图案：根据实验需求选择条纹的频率f，设置三步相移正弦条纹I1，I2，I3，其强度表示为：
[0033][0034][0035][0036]其中，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强，是待求相位；
[0037]2)播放正弦条纹图案：通过投影仪向参考平面和待测物体上投射频率为f的正弦条纹图案I1，I2，I3，用相机采集待测物体上调制后的三步相移正弦条纹图案I1，I2，I3，并传送至计算机，计算机通过以下公式计算获得与
[0038][0039][0040]其中，为每次测量必须得到的相位；为基底相位，同时负责在下一步解相位包裹时完成相位缝合，只需拍摄一次而不需要每次都获取；
[0041]3)解相位包裹：通过以下公式计算与得到绝对相位
[0042][0043]4)利用以下相位
‑
高度公式，得到待测物体表面每一点的高度信息：
[0044][0045]其中，投影仪和相机位于同一高度，d为投影机和相机之间的距离，l0为投影仪和相机到参考平面的距离，f
y
为参考平面上的正弦条纹在竖直方向上的分频率；为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。
[0046]优选地，所述f在1Hz到1000Hz之间设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光的单频率三步相移三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)生成单频率的正弦条纹图案：根据实验需求选择条纹的频率f，设置三步相移正弦条纹I1，I2，I3，其强度表示为：，其强度表示为：，其强度表示为：其中，A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制光强，是待求相位；2)播放正弦条纹图案：通过投影仪向参考平面和待测物体上投射频率为f的正弦条纹图案I1，I2，I3，用相机采集待测物体上调制后的三步相移正弦条纹图案I1，I2，I3，并传送至计算机，计算机通过以下公式计算获得包裹相位与与与其中，为每次测量必须得到的相位；为基底相位，同时负责在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵景洲，王育鹏，
申请(专利权)人：湖南华曙高科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：