基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维测量方法，具体涉及一种基于正弦和三角波条纹投影的三维 测量方法。
【背景技术】
[0002] 结构光投影轮廓术由于非接触、全场无损耗测量、测量速度快、灵敏度高和自动化 程度高等优点，在三维测量中有重要意义。三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、 CCD2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6 ;DLP投影仪1和CCD2放在测量支架4 上；DLP投影仪1、(XD2分别通过数据线连接工作站3 ;待测物体6放在参考平面5上；工作 站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投 射到被测物体6表面，由CCD2采集条纹信息，经过工作站3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1光轴和(XD2光轴相交于0点。DLP投影仪1和(XD2 为同一高度，它们之间的距离为4它们到参考平面的距离为Λ。被测物体6的高度计算公 式为：
其中A为参考平面上的正弦条纹频率，Sf为物体表面图像和参考平面图像对应点的 连续相位差。
[0003] 通过对国内外研究现状及发展动向分析研究，传统的三维测量技术己经发展较为 成熟，但多为静态测量，由于投影和采集速度不高及投影条纹的帧数多，无法实现运动物体 的三维测量和形貌重构。近年来高速、实时和高精度的三维测量在物体形变分析、工业自动 检测、医学诊断、人脸识别等方面都有着广泛的应用，并且随着采集设备、投影设备、高速处 理器的性能提升，高速、实时和高分辨率的三维测量方法成为研究的热点。因此，尽量减少 投影条纹的帧数成为高速、实时和高精度的三维测量的突破口。传统测量手段中，通常需要 大于等于6幅的条纹图像，才能实现绝对相位的测量，耗时长，直接影响测量速度。本发明 提出一种基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，此方法只需投射二帧正弦条纹和二 帧三角波条纹，耗时短，从而提高测量速度，适合快速、实时三维测量的场合。除此之外，采 用了两幅线性三角波条纹方法，通过计算三角波强度调制和强度对比度来得到包裹相位， 可以减小物体本身反射率的影响，同时采用三角波条纹可以减小ga_a效应的影响，从而 进一步提尚了测量精度。
[0004] 随着工业自动化技术的飞速发展，物体表面形貌高速、实时、高精度的三维测量方 法越来越受到广大研究者的重视。其中的一个关键问题就是如何减少完成一次相位测量所 需的条纹图像数量。因为测量的三维数据是由相位通过标定转换而来，所以使用的条纹图 像数量越少，在同一时间段内，能完成的相位测量次数就会越多，能实现三维测量的次数也 就会越多。本发明所述的一种基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法正是在这一背景 下提出的。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，该方法较传统的 正弦条纹投影的三维测量方法，本方法只需分别投影2幅正弦条纹和2幅三角波条纹，提高 了三维测量速度。
[0006] 本发明是这样来实现的，一种基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，由三 角波条纹编码原理、正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理、三维测量原理三大关 键部分组成；其特征在于： 三角波条纹编码原理，通过编码，投影一个周期的三角波条纹； 正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理，2幅正弦条纹和2幅三角波条纹分离 出的4个强度，使用相移法得到截断相位值，再通过提取CCD记录的三角波条纹的强度，通 过三角波条纹二步相移方法得到包裹相位，然后利用四幅条纹相位求解方法求出条纹级 次，通过解相公式进行相位解包裹，得到连续相位值。
[0007] 所述三维测量原理，利用相位-高度公式：
得到物体表面每一点的高度信息。
[0008] 本发明的优点是：（1)与传统的正弦条纹投影方法相比：通常需要大于等于6幅 的条纹图像，才能实现绝对相位的测量，本方法只需分别投影2幅正弦条纹和2幅三角波条 纹，提高了三维测量速度；（2)采用了两幅线性三角波条纹方法，通过计算三角波强度调制 和强度对比度来得到包裹相位，可以减小物体本身反射率的影响，从而进一步提高了测量 精度。（3)由于投影条纹幅数少，测量速度快，本方法在动态物体的快速、实时三维测量中具 有潜在的应用前景和实用价值。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的三维测量系统示意图。
[0010] 图2为本发明的三角波条纹图。
[0011] 图3为本发明的包裹相位与截断相位图。
[0012] 图4位本发明条纹级次与截断相位图。
【具体实施方式】
[0013] 以下结合【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限 制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0014] 本发明是这样来工作和实施的，基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，其 特征是：由三角波条纹编码原理、正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理、三维测量 原理三大关键部分组成。
[0015] (一）三角波条纹编码原理 在同一个周期内生成有半个周期相移的2组三角波，其每组三角波中各段像素的分配 如下：
其中y为三角波的像素，P为一个三角波周期总像素数。pl，p2, p3, p4各段分布情况如 图2所示三角波条纹图。
[0016] (二）正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理 a. 从两幅正弦条纹和两幅三角波条纹提取出四个强度
求出截断相 位：
b. 从两幅三角波条纹提取出的两个强度霉★ i，求出强度调制ig:
其中
分别为两个相移的三角波条纹强度最大值和最小值，从而求出：
其中是三角波条纹强度比，^平均分布在（〇, 1)之间，根据考;求出包裹相位f::
其中R=l，2, 3, 4,包裹相位在平均分配（0, 2)之间。如图3所示包裹相位与截断相位 图。
[0017] c.由包裹相位和截断相位求出条纹级次：
其中N是正弦条纹的周期，round函数为通过取整运算得到的理想条纹级次。如图4所 示条纹级次与截断相位图。
[0018] d.通过解相公式：
进行相位解包裹，得到连续相位值。
[0019](三）三维测量原理 从而利用相位-高度公式
最后得到物体表面每一点的高度信息。
【主权项】
1.基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，由三角波条纹编码原理、正弦和三角 波四幅条纹相位求解与去包裹原理、三维测量原理三大关键部分组成；其特征在于： 三角波条纹编码原理，通过编码，投影一个周期的三角波条纹； 正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理，2幅正弦条纹和2幅三角波条纹分离 出的4个强度，使用相移法得到截断相位值，再通过提取CCD记录的三角波条纹的强度，通 过三角波条纹二步相移方法得到包裹相位，然后利用四幅条纹相位求解方法求出条纹级 次，通过解相公式进行相位解包裹，得到连续相位值； 所述三维测量原理，利用相位-高度公式：得到物体表面每一点的高度信息。
【专利摘要】本发明公开了基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法，由三角波条纹编码原理、正弦和三角波四幅条纹相位求解与去包裹原理、三维测量原理三大关键部分组成。本发明的优点是：（1）与传统的正弦条纹投影方法相比：传统测量手段中，通常需要大于等于6幅条纹图像，才能实现绝对相位的测量，本方法只需分别投影2幅正弦条纹和2幅三角波条纹，提高了测量速度；（2）采用了两幅线性三角波条纹，通过计算三角波强度调制和强度对比度来得到包裹相位，可以减小物体表面反射率的影响，从而进一步提高了测量精度。（3）由于投影条纹幅数少，测量速度快，本方法在动态物体的快速、实时三维测量中具有潜在的应用前景和实用价值。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN105300317
【申请号】CN201510709722
【发明人】伏燕军, 曾灼环, 黄超, 屈国丽, 江光裕
【申请人】南昌航空大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月28日