基于相位级次自编码的光学三维测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位级次自编码的光学三维测量方法。在传统的相位测量技术中，通常需要投影额外的编码图案，以实现孤立物体的三维面形测量，本发明专利技术提出数字投影具有相位级次编码信息的正弦条纹，将相位分布的微分值或斜率值作为编码通道，各条纹周期作为一个编码单元，构造一个总长度等于投影条纹周期总数的代码序列，再由若干相邻周期构成一个代码子序列，通过查找代码子序列在总代码序列中的位置可以确定该周期的相位级次，从而得到待测物体的绝对相位分布，最后再根据相位高度关系重建出待测物体的三维面形。本发明专利技术无需投影额外的编码图像，即可完成物体三维信息获取，特别适用于孤立物体的快速三维面形测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于相位测量轮廓术对空间孤立物体的三维面形测量。
技术介绍
三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、精度高、易于自动控制等优点获得很大发展。现有的光学三维传感方法主要包括三角测量法、莫尔条纹法(Moir6 Topography,简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)、空间相位检测术(Spatial Phase Detection,简称 SPD)、相位测量轮廓术(Phase Measuring ProfiIometry，简称PMP)等，这些方法都是通过解调受三维物体面形调制的空间结构光场，以获得三维物体面形的高度信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是傅里叶变换轮廓术和相位测量轮廓术。傅里叶变换轮廓术是通过对变形条纹图像进行傅里叶变换、频域滤波和逆傅里叶变换等步骤实现的。相位测量轮廓术需要从多帧相移条纹图形来重建三维面形，具有很高的精度，但在传统的相位测量技术中，在测量不连续物体时，相位展开是一个难题，此时通常需要投影额外的编码图案，如时间相位展开法或正弦条纹投影与格雷码方法相结合等，但是由于投影了额外编码图案使得这些方法不适用于对不连续物体场景的快速三维测量。
技术实现思路
本专利技术针对传统相位测量轮廓术中，在测量不连续物体时，需要投影额外的编码图案，提出采用数字投影设备投影具有相位级次编码信息的正弦条纹，将相位分布的微分值或斜率作为编码通道，完成对各条纹级次的编码，因此无需投影额外的编码图像，即可完成对空间不连续物体的三维面形测量。本专利技术的目的采用下述技术方案来实现设计具有编码信息的相位分布，根据编码相位分布产生用于数字投影设备投影的N帧相移正弦条纹(N > 3)，在编码相位分布中，每个条纹周期作为一个编码单元，码值为1或 0，分别对应编码相位微分值或斜率值的正或负，从而设计构造出一个总长度等于投影条纹周期数的代码序列，完成对各条纹级次的编码；在测量时，投影N帧相移条纹图，再根据相移算法计算出截断相位分布，由其微分值或斜率值确定当前周期码值，然后将该码值与其相邻若干周期码值组成一个代码子序列，通过查找该子代码序列在预先设计的代码序列中的位置，就可以确定当前周期的级次，从而得到待测物体的绝对相位分布，再根据已知的相位与高度关系即可完成待测物体的三维面形重建；最后再采用希尔伯特变换修正因编码引起的局部相位误差。与传统的相位测量轮廓术相比，新的方法不需要投影额外的编码图像， 尤其适用于孤立物体的快速三维面形测量。本专利技术与现有技术相比有如下优点1、本专利技术将相位级次信息编码在相位分布中，使得在进行光学三维测量时，不需要投影额外的编码图像，即可获取待测物体的绝对相位分布；2、本专利技术可以根据待测物体的大小，调整代码序列长度，实现对不同尺寸物体的测量；3、本专利技术与高速投影和记录设备相结合，特别适合于实现孤立物体的快速运动面形测量。附图说明图1为系统的光路示意图。图2为传统的三帧相移条纹图，其中a)第一帧条纹，b)第二帧条纹，C)第三帧条纹，d)截断相位，e)截断相位剖面。图3为本专利技术中提到的基于相位级次自编码的三帧相移条纹图，其中a)第一帧条纹，b)第二帧条纹，c)第三帧条纹，d)截断相位，e)截断相位剖面与编码值，f)截断相位微分。图4为本专利技术中编码信息引入的相位测量误差，其中(a) (d)为三帧条纹图及截断相位，(e)、h)为条纹图和截断相位剖面及条纹编码值，(i)为展开相位与传统相移结果差。图5为采用希尔伯特变换修正局部相位误差，其中(a)余弦条纹，(b)余弦条纹剖面，(c)正弦条纹，(d)正弦条纹剖面，(e)截断相位分布，(f)希尔伯特变换修正后相位与传统3步相移结果之差。图6为本专利技术的测量流程图。图7为实施例中的测量结果，其中a)第一帧条纹，b)第二帧条纹，C)第三帧条纹，d)截断相位，e)绝对相位。具体实施例方式下面结合附图、工作原理及实施例对本专利技术作进一步详细说明。相位级次自编码的相位测量方法所采用的光路与传统的相位测量轮廓术测量光路相似。图1为三维成像系统示意图，系统由投影仪和摄像机构成，投影仪投出正弦条纹， 摄像机在另一位置拍摄被物体表面形貌调制的变形条纹，通过分析拍摄到的图像计算出相位分布，再根据相位与高度关系可以重建出待测物体的三维面形分布。由计算机生成的待投影N帧相移正弦条纹图，其强度分布可以表示为r/、 ι ,2π η 、/(λ) = a ■+· b cos(——χ + —. 2π)⑴ρ N其中a为直流分量，b为调制度，ρ为条纹周期，N为相移帧数，η=0，1，···，N-I表示第 η帧条纹图。χ为投影仪像素坐标，若令Φ = 2πχ/ρ，那么φ和χ—样均为单调连续分布的。实际上，由于相移技术采用反三角函数计算相位，使得相位分布介于η ]，表示为 Φψ，因此，可以采用截断相位分布Φψ替代连续相位Φ，用于产生要投影的标准正弦条纹图样，其强度分布为权利要求1.一种，其特征在于将编码信息加载于待投影的正弦条纹相位分布中，首先构造一个代码序列，每个码元对应一个条纹周期，其码元值为0或1，由每个码元和其相邻若干码元构成一个代码子序列，使得每一个代码子序列在整个代码序列中不重复出现、从而保证其唯一性，并且各代码子序列在整个代码序列中的位置即为相应条纹周期的级次，按照此代码序列就可以构造出具有编码信息的相位分布；然后再根据此已编码好的相位分布生成相应的相移正弦条纹图；测量时由数字投影设备投影具有相位自编码信息的相移正弦条纹图，根据相移技术计算出截断相位分布，并从中提取出各条纹周期的编码信息，即可确定各条纹周期级次，从而得到待测物体的绝对相位分布， 再根据已知的相位与高度关系即可完成待测物体的三维面形重建，本专利技术不需要投影额外的编码图像，尤其适用于孤立物体的快速三维面形测量。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的将编码信息加载于待投影的正弦条纹相位分布中，是根据相位分布的微分值或斜率的正负建立码元值与条纹周期的对应关系，微分值或斜率为正的条纹周期码元值为1，微分值或斜率为负的条纹周期码元值为0， 反之亦然。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的由编码相位分布生成相移正弦条纹图，是将编码相位分布用于产生相移正弦条纹的公式中，可以构造出任意帧相移正弦条纹， 包括N帧满周期相移正弦条纹图和N帧任意步长相移正弦条纹图等，其中N > 3。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的投影具有相位自编码信息的相移正弦条纹图，当采用三帧相移时，即投影三幅正弦条纹图，可以通过RGB颜色耦合方法将包含有编码信息的三幅正弦条纹图叠加在一幅彩色图像中，投影设备只需投影一幅彩色正弦条纹图像，再通过RGB颜色分离技术，可以从拍摄到的变形彩色正弦条纹图像中分离出具有编码信息的三幅正弦条纹图。全文摘要本专利技术公开了一种。在传统的相位测量技术中，通常需要投影额外的编码图案，以实现孤立物体的三维面形测量，本专利技术提出数字投影具有相位级次编码信息的正弦条纹，将相位分布的微分值或斜率值作本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于相位级次自编码的光学三维测量方法，其特征在于将编码信息加载于待投影的正弦条纹相位分布中，首先构造一个代码序列，每个码元对应一个条纹周期，其码元值为０或１，由每个码元和其相邻若干码元构成一个代码子序列，使得每一个代码子序列在整个代码序列中不重复出现、从而保证其唯一性，并且各代码子序列在整个代码序列中的位置即为相应条纹周期的级次，按照此代码序列就可以构造出具有编码信息的相位分布；然后再根据此已编码好的相位分布生成相应的相移正弦条纹图；测量时由数字投影设备投影具有相位自编码信息的相移正弦条纹图，根据相移技术计算出截断相位分布，并从中提取出各条纹周期的编码信息，即可确定各条纹周期级次，从而得到待测物体的绝对相位分布，再根据已知的相位与高度关系即可完成待测物体的三维面形重建，本专利技术不需要投影额外的编码图像，尤其适用于孤立物体的快速三维面形测量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘元坤，苏显渝，张启灿，向立群，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90