一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法，包括以下步骤：通过计算机产生标准的预校正光栅条纹图像；利用投影仪将预校正光栅条纹图像投影到被测量物体上，并确保投影到参考面上的光栅条纹等周期性分布；利用摄像机拍摄投影到被测量物体上对应的变形光栅条纹图像，并上传到计算机；计算机根据投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系对所拍条纹图像进行分析，最终计算恢复出被测物体的面形分布。本发明专利技术改进了投影光栅条纹的分布，推导出投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位‑高度映射算法，放宽了系统测量的约束条件，使测量系统的搭建更加容易，并能实现高精度测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维测量领域，具体涉及一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法。
技术介绍
光栅投影三维测量技术具有非接触性、精度高、视场大、获取数据多等特点，在逆向工程、产品检测、机器视觉、生物医学、文物保护等领域具有广阔的应用前景。相位测量轮廓术(PMP)作为一种重要的三维传感手段，在三维面形测量具有重要的作用。传统的光栅投影三维测量技术是以三角测量法为基础的系统光学结构，其整个系统的建立必须基于3个明显的约束条件：(1)投影系统光瞳与成像系统光瞳连线平行于参考面；(2)成像光轴与投影光轴相交于参考面；(3)成像光轴垂直于参考面。由于三角测量法整个系统的建立必须基于上述约束条件，使三角测量法在实际应用中存在一定的限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有三角测量法由于整个系统的建立必须满足一定约束条件，使得三角测量法在实际应用中存在一定限制的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法，包括以下步骤：通过计算机产生标准的预校正光栅条纹图像；利用投影仪将预校正光栅条纹图像投影到被测量物体上，在被测量物体上产生变形的光栅条纹图像，并确保投影到参考面上的光栅条纹等周期性分布；利用摄像机拍摄投影到被测量物体上对应的变形光栅条纹图像，并上传到计算机；计算机根据投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系对所拍条纹图像进行分析，最终计算恢复出被测物体的面形分布。在上述方法中，所述投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系的建立包括以下两步：通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数；利用参考面上等周期光栅条纹的相位函数建立投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高的映射关系。在上述方法中，通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数为： φ n ( x ) = 2 π p 0 x + 2 n π N , ( n = 1 , 2 ... N ) ]]>其中，p0为参考面上光栅条纹的分布周期，N为参考面上光栅条纹相移步数，x为参考面上任意点到投影系统光轴与参考面交点的距离。在上述方法中，利用参考面上等周期光栅条纹的相位函数建立投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高的映射关系为： 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为被测量物体高度，ΦAC为被测量物体高度引起的相位差；ΦC为C点的相位；L为投影系统光轴长度；s为成像系统光轴长度。在上述方法中，通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数具体为：构建预校正光栅测量模型：投影系统的出瞳P和成像系统的入瞳I，投影系统光轴PO和成像系统光轴IOC异面，分别与参考面相交于O、OC点，记PO与其参考面上法线的夹角为θ，投影系统出瞳到参考面的垂足为F，被测物面上任一点B与参考面上点E在成像系统中成像于同一点；O′A′为投影表面，过O点做O′A′的平行面与PB相交于M点；投影光栅的栅线垂直于POF平面，KB与FO交与点C；成像系统入瞳I平移到K位置时，E移动到KO连线上的C点处，且C、B、K在一条直线上，显然点C处的相位与点E处的相位相等，即φc＝φE；则在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，则有：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 ′ ‾ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：通过计算机产生标准的预校正光栅条纹图像；利用投影仪将预校正光栅条纹图像投影到被测量物体上，在被测量物体上产生变形的光栅条纹图像，并确保投影到参考面上的光栅条纹等周期性分布；利用摄像机拍摄投影到被测量物体上对应的变形光栅条纹图像，并上传到计算机；计算机根据投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系对所拍条纹图像进行分析，最终计算恢复出被测物体的面形分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于预校正光栅投影的三维面形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：通过计算机产生标准的预校正光栅条纹图像；利用投影仪将预校正光栅条纹图像投影到被测量物体上，在被测量物体上产生变形的光栅条纹图像，并确保投影到参考面上的光栅条纹等周期性分布；利用摄像机拍摄投影到被测量物体上对应的变形光栅条纹图像，并上传到计算机；计算机根据投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系对所拍条纹图像进行分析，最终计算恢复出被测物体的面形分布。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高度映射关系的建立包括以下两步：通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数；利用参考面上等周期光栅条纹的相位函数建立投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高的映射关系。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数为： φ n ( x ) = 2 π p 0 x + 2 n π N , ( n = 1 , 2 ... N ) ]]>其中，p0为参考面上光栅条纹的分布周期，N为参考面上光栅条纹相移步数，x为参考面上任意点到投影系统光轴与参考面交点的距离。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用参考面上等周期光栅条纹的相位函数建立投影仪的投影光轴和摄像机成像光轴异面情况下的相位与被测量物体高的映射关系为： 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为被测量物体高度，ΦAC为被测量物体高度引起的相位差；ΦC为C点的相位；L为投影系统光轴长度；s为成像系统光轴长度。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过预校正光栅条纹图像分布特性，得到在对应参考面上等周期光栅条纹的相位函数具体为：构建预校正光栅测量模型：投影系统的出瞳P和成像系统的入瞳I，投影系统光轴PO和成像系统光轴IOC异面，分别与参考面相交于O、OC点，记PO与其参考面上法线的夹角为θ，投影系统出瞳到参考面的垂足为F，被测物面上任一点B与参考面上点E在成像系统中成像于同一点；O′A′为投影表面，过O点做O′A′的平行面与PB相交于M点；投影光栅的栅线垂直于POF平面，KB与FO交与点C；成像系统入瞳I平移到K位置时，E移动到KO连线上的C点处，且C、B、K在一条直线上，显然点C处的相位与点E处的相位相等，即φc＝φE；则在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，则有：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为投影仪的焦距；不失一般性，设则由公式与公式做差得： x = sx ′ f c o s θ - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：边心田，
申请(专利权)人：边心田，淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32