一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法技術

本發明專利技術公開了一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法，包括以下步驟：通過計算機產生標準的預校正光柵條紋圖像；利用投影儀將預校正光柵條紋圖像投影到被測量物體上，并確保投影到參考面上的光柵條紋等周期性分布；利用攝像機拍攝投影到被測量物體上對應的變形光柵條紋圖像，并上傳到計算機；計算機根據投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系對所拍條紋圖像進行分析，最終計算恢復出被測物體的面形分布。本發明專利技術改進了投影光柵條紋的分布，推導出投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位?高度映射算法，放寬了系統測量的約束條件，使測量系統的搭建更加容易，并能實現高精度測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及三維測量領域，具體涉及一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法。
技術介紹
光柵投影三維測量技術具有非接觸性、精度高、視場大、獲取數據多等特點，在逆向工程、產品檢測、機器視覺、生物醫學、文物保護等領域具有廣闊的應用前景。相位測量輪廓術(PMP)作為一種重要的三維傳感手段，在三維面形測量具有重要的作用。傳統的光柵投影三維測量技術是以三角測量法為基礎的系統光學結構，其整個系統的建立必須基于3個明顯的約束條件：(1)投影系統光瞳與成像系統光瞳連線平行于參考面；(2)成像光軸與投影光軸相交于參考面；(3)成像光軸垂直于參考面。由于三角測量法整個系統的建立必須基于上述約束條件，使三角測量法在實際應用中存在一定的限制。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是現有三角測量法由于整個系統的建立必須滿足一定約束條件，使得三角測量法在實際應用中存在一定限制的問題。為了解決上述技術問題，本專利技術所采用的技術方案是提供一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法，包括以下步驟：通過計算機產生標準的預校正光柵條紋圖像；利用投影儀將預校正光柵條紋圖像投影到被測量物體上，在被測量物體上產生變形的光柵條紋圖像，并確保投影到參考面上的光柵條紋等周期性分布；利用攝像機拍攝投影到被測量物體上對應的變形光柵條紋圖像，并上傳到計算機；計算機根據投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系對所拍條紋圖像進行分析，最終計算恢復出被測物體的面形分布。在上述方法中，所述投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系的建立包括以下兩步：通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數；利用參考面上等周期光柵條紋的相位函數建立投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高的映射關系。在上述方法中，通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數為： φ n ( x ) = 2 π p 0 x + 2 n π N , ( n = 1 , 2 ... N ) ]]>其中，p0為參考面上光柵條紋的分布周期，N為參考面上光柵條紋相移步數，x為參考面上任意點到投影系統光軸與參考面交點的距離。在上述方法中，利用參考面上等周期光柵條紋的相位函數建立投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高的映射關系為： h = Lsp 0 φ A C c o s θ 2 π L s s i n θ + Lp 0 φ A C + p 0 φ C ( L - s c o s θ ) ]]>其中，h為被測量物體高度，ΦAC為被測量物體高度引起的相位差；ΦC為C點的相位；L為投影系統光軸長度；s為成像系統光軸長度。在上述方法中，通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數具體為：構建預校正光柵測量模型：投影系統的出瞳P和成像系統的入瞳I，投影系統光軸PO和成像系統光軸IOC異面，分別與參考面相交于O、OC點，記PO與其參考面上法線的夾角為θ，投影系統出瞳到參考面的垂足為F，被測物面上任一點B與參考面上點E在成像系統中成像于同一點；O′A′為投影表面，過O點做O′A′的平行面與PB相交于M點；投影光柵的柵線垂直于POF平面，KB與FO交與點C；成像系統入瞳I平移到K位置時，E移動到KO連線上的C點處，且C、B、K在一條直線上，顯然點C處的相位與點E處的相位相等，即φc＝φE；則在ΔOAM中，由正弦定理知： O A ‾ s i n ∠ O M A = O M ‾ s i n ∠ O A M ; ]]>在上述公式中，則有：sin∠OMA＝sin(90°+α)；sin∠OAM＝sin(90°-θ-α)＝cos(θ+α)；在ΔPOM和ΔPO′A′中， O M ‾ = P O ‾ PO ′ ‾ O ′ A ′ ‾ 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法，其特征在于，包括以下步驟：通過計算機產生標準的預校正光柵條紋圖像；利用投影儀將預校正光柵條紋圖像投影到被測量物體上，在被測量物體上產生變形的光柵條紋圖像，并確保投影到參考面上的光柵條紋等周期性分布；利用攝像機拍攝投影到被測量物體上對應的變形光柵條紋圖像，并上傳到計算機；計算機根據投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系對所拍條紋圖像進行分析，最終計算恢復出被測物體的面形分布。

【技術特征摘要】
1.一種基于預校正光柵投影的三維面形測量方法，其特征在于，包括以下步驟：通過計算機產生標準的預校正光柵條紋圖像；利用投影儀將預校正光柵條紋圖像投影到被測量物體上，在被測量物體上產生變形的光柵條紋圖像，并確保投影到參考面上的光柵條紋等周期性分布；利用攝像機拍攝投影到被測量物體上對應的變形光柵條紋圖像，并上傳到計算機；計算機根據投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系對所拍條紋圖像進行分析，最終計算恢復出被測物體的面形分布。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高度映射關系的建立包括以下兩步：通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數；利用參考面上等周期光柵條紋的相位函數建立投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高的映射關系。3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數為： φ n ( x ) = 2 π p 0 x + 2 n π N , ( n = 1 , 2 ... N ) ]]>其中，p0為參考面上光柵條紋的分布周期，N為參考面上光柵條紋相移步數，x為參考面上任意點到投影系統光軸與參考面交點的距離。4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，利用參考面上等周期光柵條紋的相位函數建立投影儀的投影光軸和攝像機成像光軸異面情況下的相位與被測量物體高的映射關系為： h = Lsp 0 φ A C cos θ 2 π L s sin θ + Lp 0 φ A C + p 0 φ C ( L - s cos θ ) ]]>其中，h為被測量物體高度，ΦAC為被測量物體高度引起的相位差；ΦC為C點的相位；L為投影系統光軸長度；s為成像系統光軸長度。5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，通過預校正光柵條紋圖像分布特性，得到在對應參考面上等周期光柵條紋的相位函數具體為：構建預校正光柵測量模型：投影系統的出瞳P和成像系統的入瞳I，投影系統光軸PO和成像系統光軸IOC異面，分別與參考面相交于O、OC點，記PO與其參考面上法線的夾角為θ，投影系統出瞳到參考面的垂足為F，被測物面上任一點B與參考面上點E在成像系統中成像于同一點；O′A′為投影表面，過O點做O′A′的平行面與PB相交于M點；投影光柵的柵線垂直于POF平面，KB與FO交與點C；成像系統入瞳I平移到K位置時，E移動到KO連線上的C點處，且C、B、K在一條直線上，顯然點C處的相位與點E處的相位相等，即φc＝φE；則在ΔOAM中，由正弦定理知： O A ‾ s i n ∠ O M A = O M ‾ s i n ∠ O A M ; ]]>在上述公式中，則有：sin∠OMA＝sin(90°+α)；sin∠OAM＝sin(90°-θ-α)＝cos(θ+α)；在ΔPOM和ΔPO′A′中， O M ‾ = P O ‾ PO ′ ‾ O ′ A ′ ‾ = s f O ′ A ′ ‾ ; ]]>其中，f為投影儀的焦距；不失一般性，設則由公式與公式做差得： x = sx ′ f c o s θ - ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邊心田，
申請(專利權)人：邊心田，淮陰師范學院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32