专利名称：基于区域散焦的正弦光栅生成方法
技术领域：
本发明涉及一种正弦光栅的快速生成方法，具体是一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法。属于光学测量技术领域。
背景技术：
通过散焦快速地生成正弦光栅是实现三维实时光学测量的重要手段，散焦相当于一个高斯低通滤波器，将输入的二进制编码图像中的高次谐波部分滤除。通过散焦生成的正弦光栅的精度直接关系到解相精度和三维反求精度。Song Zhang等人提出的直接将方波散焦成正弦光栅等传统方法(Yajun Wang andSong Zhang. Optimal pulse width modulation for sinusoidal fringe generation withprojector defocusing[J]. OPTICS LETTERS, 2010, 35(24) :4121-4123)存在着光栅生成精 度低，解相误差大的特点，很难满足非接触精密测量的要求。相对于方波，基于区域化的三角波具有高次谐波振幅降低速度快、利于过滤的特点。但由于摄像机和投影仪的伽马非线性，我们通过DLP (Digital Light Procession,即数字化处理)技术编程生成的三角波光栅在投影到被测物体上并被摄像机采集后，会存在系统误差，对后期解相和相位展开带来较大的计算误差。
发明内容
要解决的技术问题为解决现有散焦技术中存在的光栅生成精度较低和相位误差较大的问题，本发明提出了一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法。技术方案本发明提出的一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法通过构将相连像素(2x2)区域化，对区域内的像素进行不同的二进制赋值，通过散焦生成高精度的三角波光栅，然后再对三角波光栅进行二次散焦得到满足精度要求的正弦光栅，其实现方便、生成光栅准确，适用于高精度非接触的三维实时测量系统，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。本发明的技术方案为所述一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法，其特征在于包括以下步骤步骤I :通过DLP编程技术生成基于区域的投影图片(a)将初始图片A划分为若干个2像素*2像素的区域，其中所述初始图片A宽度方向的像素数为16η，η为要生成的正弦光栅条纹的周期数，一个正弦光栅条纹周期内有8个2像素*2像素区域；所述初始图片A高度方向的像素数为2的倍数；(b)对图片A中的每个2像素*2像素区域内的四个像素点赋灰度值，所赋灰度值为O或255，得到投影图片B ;取投影图片B中每个2像素*2像素区域的区域灰度值为该区域内四个像素点灰度值的均值；投影图片B中沿宽度方向连续8个2像素*2像素区域的区域灰度值分布呈周期变化，其中在投影图片B中存在8个连续2像素*2像素区域的区域灰度值依次为0、63· 75,127. 5,191. 25、255、191· 25,127. 5,63. 75 ;投影图片B中沿高度方向
连续2像素*2像素区域的区域灰度值相同；步骤2 :将步骤I生成的投影图片B投影到被测物体表面，保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，通过调整投影仪焦距，使投影到被测物体表面的影像聚焦；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，再次调整投影仪焦距，将投影仪的焦距在聚焦焦距的基础上变化Λ i，从而在被测物体表面得到三角波光栅图像C ；步骤3 :保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，将投影仪的焦距在步骤2最后调定的焦距基础上再次变化A2，从而在被测物体表面得到正弦光栅图像D，其中A1与A2的符号相同。所述一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法，其特征在于A1为投影仪调焦范围的10% 15%或-15% -10%，A2为投影仪调焦范围的10%或-10%。
有益效果本发明提出的一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法通过构将相连像素(2x2)区域化，对区域内的像素进行不同的二进制赋值，通过散焦生成高精度的三角波光栅，然后再对三角波光栅进行二次散焦得到满足精度要求的正弦光栅，其实现方便、生成光栅准确，适用于高精度非接触的三维实时测量系统，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。实施例显示经过步骤(I)的2像素*2像素区域划分赋值和步骤(2)的轻微散焦，有效地消除了直接生成三角波光栅时因为投影仪伽马非线性问题所带来的误差，2像素*2像素区域经过步骤(I)和步骤(2)后可被认作是一个整体，生成了满足要求的三角波光栅图像；高精度的三角波光栅图像通过步骤(3)的二次散焦，滤掉了其中的高次谐波，得到了令人满意的正弦光栅图像。
图I是基于区域的投影图片。图2是将图I轻微散焦后生成的三角波光栅。图3是图2 二次散焦后生成的正弦光栅。图4是方波条纹。图5是将图4散焦后生成的正弦光栅。图6是图5的正弦光栅灰度质量图和频谱图。图7是图2三角波光栅的的灰度质量图。图8是图3的正弦光栅灰度质量图和频谱图。图9是图5和图3的正弦光栅解相误差图。
具体实施例方式下面结合具体实施例描述本发明为了进行对比，本实施例中采用了两种生成正弦光栅的方法，一种是传统的由方波散焦生成正弦光栅，一种是本发明提出的基于区域散焦生成正弦光栅。由方波散焦生成正弦光栅如图4所示，通过DLP编程生成方波条纹；将图4所示的方波条纹投影到被测物体表面，并根据实际需求确定投射距离和投射画面尺寸；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，通过调整投影仪焦距，使投影仪投影到被测物体表面的影像聚焦；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，再次调整投影仪焦距，将投影仪的焦距在聚焦焦距的基础上变化为投影仪调焦范围的10% 15%或-15% -10%，本实施例Λ :取10%，生成正弦光栅图像，如图5所示。对由方 波散焦生成的光栅图像进行傅里叶变换的频谱分析，得到图6所示的由方波散焦而成的正弦光栅的灰度和频率分布图。基于区域散焦生成正弦光栅步骤I :通过DLP编程技术生成基于区域的投影图片(a)将初始图片A划分为若干个2像素*2像素的区域，其中所述初始图片A宽度方向的像素数为16η，η为要生成的正弦光栅条纹的周期数，一个正弦光栅条纹周期内有8个2像素*2像素区域；所述初始图片A高度方向的像素数为2的倍数；本实施例中初始图片A宽度方向的像素数为80，计划要生成包含五个完整周期的正弦光栅条纹；(b)对图片A中的每个2像素*2像素区域内的四个像素点赋灰度值，所赋灰度值为O或255，得到投影图片B ;取投影图片B中每个2像素*2像素区域的区域灰度值为该区域内四个像素点灰度值的均值；投影图片B中沿宽度方向连续8个2像素*2像素区域的区域灰度值分布呈周期变化，其中在投影图片B中存在8个连续2像素*2像素区域的区域灰度值依次为0、63· 75,127. 5,191. 25,255,191. 25,127. 5,63. 75 ;投影图片B中沿高度方向连续2像素*2像素区域的区域灰度值相同；投影图片B如图I所示；步骤2 :将步骤I生成的投影图片B投影到被测物体表面，根据实际需求确定投射距离和投射画面尺寸；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，通过调整投影仪焦距，使投影到被测物体表面的影像聚焦；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，再次调整投影仪焦距，将投影仪的焦距在聚焦焦距的基础上变化A1, A1为投影仪调焦范围的10% 15%或-15% -10%，本实施例中取Λ I为10%，从而在被测物体表面得到三角波光栅图像C ;三角波光栅图像C如图2所示；步骤3 :保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，将投影仪的焦距在步骤2最后调定的焦距基础上再次变化Λ2，八2为投影仪调焦范围的10%或-10%，本实施例中取A2为10%，从而在被测物体表面得到正弦光栅图像D，正弦光栅图像D如图3所示。图8给出了由区域散焦方法形成正弦光栅的灰度和频率分布图。对比图6和图8，基于区域散焦生成的正弦光栅图像明显具有精度高、噪音小的特点。将两种方法生成的光栅图像(图5和图3)分别按照等步相移法进行解相，得到相位误差分布图9，由图可知，采用将方波直接散焦生成正弦光栅的传统方法的相位误差在正负O. 2rad的范围之内，采用本发明方法生成正弦光栅的相位误差在正负O. 05rad的范围之内，误差减小了四倍。
权利要求
1.一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :通过DLP编程技术生成基于区域的投影图片 (a)将初始图片A划分为若干个2像素*2像素的区域，其中所述初始图片A宽度方向的像素数为16η，η为要生成的正弦光栅条纹的周期数，一个正弦光栅条纹周期内有8个2像素*2像素区域；所述初始图片A高度方向的像素数为2的倍数； (b)对图片A中的每个2像素*2像素区域内的四个像素点赋灰度值，所赋灰度值为O或255，得到投影图片B ;取投影图片B中每个2像素*2像素区域的区域灰度值为该区域内四个像素点灰度值的均值；投影图片B中沿宽度方向连续8个2像素*2像素区域的区域灰度值分布呈周期变化，其中在投影图片B中存在8个连续2像素*2像素区域的区域灰度值依次为 0、63· 75,127. 5,191. 25,255,191. 25,127. 5,63. 75 ;投影图片 B 中沿高度方向连续 2像素*2像素区域的区域灰度值相同； 步骤2 :将步骤I生成的投影图片B投影到被测物体表面，保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，通过调整投影仪焦距，使投影到被测物体表面的影像聚焦；保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，再次调整投影仪焦距，将投影仪的焦距在聚焦焦距的基础上变化Λ i，从而在被测物体表面得到三角波光栅图像C ； 步骤3 :保持投影仪与被测物体表面的投射距离不变，保持投影仪的投射画面尺寸不变，将投影仪的焦距在步骤2最后调定的焦距基础上再次变化A2，从而在被测物体表面得到正弦光栅图像D，其中A1与A2的符号相同。
2.根据权利要求I所述一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法，其特征在于=A1为投影仪调焦范围的10% 15%或-15% -10%，A2为投影仪调焦范围的10%或-10%。
全文摘要
本发明提出的一种基于区域散焦的正弦光栅生成方法，通过构将相连像素2x2区域化，对区域内的像素进行不同的二进制赋值，通过散焦生成高精度的三角波光栅，然后再对三角波光栅进行二次散焦得到满足精度要求的正弦光栅，其实现方便、生成光栅准确，适用于高精度非接触的三维实时测量系统，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。经过2像素*2像素区域划分赋值和轻微散焦，有效地消除了直接生成三角波光栅时因为投影仪伽马非线性问题所带来的误差，2像素*2像素区域经过步骤1和步骤2后可被认作是一个整体，生成了满足要求的三角波光栅图像；高精度的三角波光栅图像通过步骤3的二次散焦，滤掉了其中的高次谐波，得到了令人满意的正弦光栅图像。
文档编号G01B11/00GK102798344SQ20121031102
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者常智勇, 孙惠斌, 李春磊, 卢津, 樊迪, 张栋梁 申请人:西北工业大学