阴影莫尔参数标定用结构、标定方法及失调误差消除方法技术

本发明专利技术涉及一种阴影莫尔参数标定用结构、标定方法及失调误差消除方法。该结构由点光源、主摄像机CCD、辅助摄像机CCD、测量光栅和电动位移台组成，测量光栅水平设置于主摄像机CCD的正下方，点光源和辅助摄像机CCD分别设置于主摄像机CCD的两侧，电动位移台上设置有被测物，所述点光源为单色的，其斜向照射测量光栅，为被测物表面投射变形光栅，主摄像机CCD透过测量光栅观测时，测量光栅与变形光栅交叠作用产生莫尔条纹图，主摄像机CCD与辅助摄像机CCD形成了立体视觉测量系统，世界坐标系建立在CCD的光学中心。本发明专利技术主要应用空间稀疏点坐标测量，因此立体视觉就提供了方便的途径。

【技术实现步骤摘要】
阴影莫尔参数标定用结构、标定方法及失调误差消除方法
本专利技术涉及光学精密测量
，具体涉及一种阴影莫尔参数标定用结构、标定方法及失调误差消除方法。
技术介绍
阴影莫尔三维轮廓测量技术是一种全场、非接触的光学三维轮廓测量方法,自1970年提出以来，已广泛应用于人体测量、晶圆表面检测、BGA共面度测试、自动生产、航空工业等领域。目前基于相位技术的阴影莫尔已经成为其主流解调方法。然而由于阴影莫尔固有的相位-高度非线性关系，经典的相移技术无法在阴影莫尔中获得精确解；在另一方面，在相位-高度映射过程，也存在着几何参数标定困难，精度差的问题。
技术实现思路
本专利技术要提供一种阴影莫尔参数标定用结构和标定方法，对传统的相移阴影莫尔物体三维轮廓测量装置几何结构参数标定问题提出解决方案，进而提供了一种失调误差消除方法，消除其中相位-高度非线性误差，有效提高测量精度。为了克服现有存在的问题，本专利技术的解决方案是：一种阴影莫尔装置几何结构参数标定用结构，由点光源、主摄像机CCD、辅助摄像机CCD、测量光栅和电动位移台组成，测量光栅水平设置于主摄像机CCD的正下方，点光源和辅助摄像机CCD分别设置于主摄像机CCD的两侧，电动位移台上设置有被测物，所述点光源为单色的，其斜向照射测量光栅，为被测物表面投射变形光栅，主摄像机CCD透过测量光栅观测时，测量光栅与变形光栅交叠作用产生莫尔条纹图，主摄像机CCD与辅助摄像机CCD形成了立体视觉测量系统，世界坐标系建立在CCD的光学中心。一种采用上述装置的阴影莫尔装置几何结构参数标定方法，首先对摄像机标定，建立摄像机的内参和外参，并在光栅面投射数目大于的标记点，然后运用立体视觉系统对标记点的左边进行测量，进而拟合出光栅平面，此时运用几何原理可得到CCD的光学中心与光栅面间的距离，即参数h；保证点光源能绕CCD的光学中心旋转，控制点光源逆时针旋转90度，使其进入双目立体视觉测量系统视场，然后以点光源为特征点，测量其世界坐标，其纵坐标即为参数d。一种采用上述阴影莫尔装置几何结构参数失调误差消除方法，具体步骤是：第一步：搭建测量结构，进行参数标定后，将测量物体置于测量空间，运用电动位移台以小单位移动测量光栅获得数帧相移条纹图；第二步：通过对条纹图进行处理，以确定光栅移动量，进而获得初始估计相移；第三步：根据拍摄的条纹图计算相位，并运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开，进而获得初始估计测量高度；第四步：更新相移进而更新测量高度。上述第四步的具体方法是：测量时，将工件置于测量空间，开启光源照射测量光栅，在物体表面产生莫尔条纹图，然后控制光栅相对初始位置，垂直光栅面移动两次，并使用摄像机摄取并存储该光场变化，便得到了用于解调物体表面形貌的相移条纹图表达式如下。假设a(x,y)为背景，b(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+nδ(x,y)],(n＝0,1,2)(1)为了表述清晰，下面的推导过程省略坐标项(x,y)，根据上式，本专利提出的相位解调方法为：首先应用运用条纹互减去除背景项，得到的新条纹表述为：进一步对新条纹进行加、减运算得：保证摄取的条纹图中条纹数目大于1，忽略相移中非线性关系，可得近似相移δe，并用其代替相移δ得：上式中进而确定光栅移动量为：Δh＝phδe/2πd(5)同时使用δe估计相位(去包裹)和测量高度为：综上相移更新为：将更新的相移代入公式(5)、(6)，如此迭代，直到满足max(|zq-zq-1|)＜ε(8)式中q代表了迭代次数，ε为预设的精度，最后获得高精度结果。本专利技术的优点是：1、结构简单：本专利技术中所提出的测量结构不增加阴影莫尔测量结构的复杂性，辅助摄像机CCD在完成结构参数标定后，不再需要。因此本专利技术的测量装置结构简单、价格便宜。2、可进行结构参数标定：至今还没有一种有效的结构参数标定方案，因此本专利技术为该问题的解决提供了途径。本专利专利技术了一种结构参数单独标定方法，该方法为制作具有精密结构参数的莫尔装置，且为精密相位解调提供了新途径。3、应用要求低：该方法不需要光源的一致性，对环境要求低，适用于工业场合的测量需要。4、本专利技术的方法运用迭代技术，消除相移阴影莫尔固有的相位-高度非线性误差。附图说明图1是本专利技术测量方法实施的示意图。附图标记说明如下：1，线光源；2，摄像机CCD1；3辅助摄像机CCD2；4，电动位移台；5，载物台；6，测量光栅。具体实施方式立体视觉测量技术属于被动式光学测量方法，也是目前应用最成熟的三维坐标测量方法之一，可以将其分为单目视觉系统、双目视觉系统和多目视觉系统。与主动式光学测量方法不同，立体视觉技术只使用采样图像素点的坐标信息，而不是采样图的灰度信息。立体视觉三维测量的实现是一个非常复杂的测量过程，其过程主要包括摄像机标定、图像采集、图像处理、重建主运算和数据输出等。但本专利技术主要应用空间稀疏点坐标测量，因此立体视觉就提供了方便的途径。由于阴影莫尔系统只使用一个摄像机，使用单目视觉系统进行坐标测量是方便的，然而单目测距过程复杂，因此本专利技术选用了常用双目测距的方法。下面将通过具体的实施例对本专利技术进行详细地说明。参见图1：本专利技术提供的一种阴影莫尔装置几何结构参数标定用结构，待复制前面。测量光栅6通过电动机4上的光栅夹具平行设置。参见图1，一种采用上述装置的阴影莫尔装置几何结构参数标定方法，待复制前面。阴影莫尔的实验装置的结构参数包括：p，h，d。一般认为光栅周期p具有较高的精度，不需要标定。但需要对其他两个参数进行标定，然而，由于摄像机和光源的中心都是虚拟点，因此实际标定难度较大。本专利提出将双目立体视觉技术引入阴影莫尔测量系统，运用其强大的坐标测量功能，实现莫尔测量结构中的几何参数精确、方便的标定，以提高相位-高度映射精度，并为莫尔测量结构设计提供途径。一种采用上述阴影莫尔装置几何结构参数失调误差消除方法，具体步骤是：第一步：搭建如图测量结构，进行参数标定后，将测量物体置于测量空间，运用精密位移台以小单位(如0.01mm)移动光栅获得3帧相移条纹图；第二步：通过对条纹图进行处理，以确定光栅移动量，进而获得初始估计相移；第三步：根据拍摄的条纹图计算相位，并运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开，进而获得初始估计测量高度；第四步：更新相移进而更新测量高度，具体方法是：测量时，将工件置于测量空间，开启光源照射测量光栅，在物体表面产生莫尔条纹图，然后控制光栅相对初始位置，垂直光栅面移动两次，并使用摄像机摄取并存储该光场变化，便得到了用于解调物体表面形貌的相移条纹图表达式如下。假设a(x,y)为背景，b(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+nδ(x,y)],(n＝0,1,2)(1)为了表述清晰，下面的推导过程省略坐标项(x,y)。根据上式，本专利提出的相位解调方法为：首先应用运用条纹互减去除背景项，得到的新条纹表述为：进一步对新条纹进行加、减运算得：保证摄取的条纹图中条纹数目大于1，忽略相移中非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阴影莫尔装置几何结构参数标定用结构，其特征在于，由点光源(1)、主摄像机CCD(1)、辅助摄像机CCD(2)、测量光栅(6)和电动位移台(5)组成，测量光栅(6)水平设置于主摄像机CCD(1)的正下方，点光源(1)和辅助摄像机CCD(2)分别设置于主摄像机CCD(1)的两侧，电动位移台(5)上设置有被测物，所述点光源(1)为单色的，其斜向照射测量光栅(6)，为被测物表面投射变形光栅，主摄像机CCD(1)透过测量光栅(6)观测时，测量光栅与变形光栅交叠作用产生莫尔条纹图，主摄像机CCD(1)与辅助摄像机CCD(2)形成了立体视觉测量系统，世界坐标系建立在CCD(1)的光学中心。

【技术特征摘要】
1.一种阴影莫尔装置几何结构参数标定用结构，其特征在于，由点光源(1)、主摄像机CCD(1)、辅助摄像机CCD(2)、测量光栅(6)和电动位移台(5)组成，测量光栅(6)水平设置于主摄像机CCD(1)的正下方，点光源(1)和辅助摄像机CCD(2)分别设置于主摄像机CCD(1)的两侧，电动位移台(5)上设置有被测物，所述点光源(1)为单色的，其斜向照射测量光栅(6)，为被测物表面投射变形光栅，主摄像机CCD(1)透过测量光栅(6)观测时，测量光栅与变形光栅交叠作用产生莫尔条纹图，主摄像机CCD(1)与辅助摄像机CCD(2)形成了立体视觉测量系统，世界坐标系建立在CCD(1)的光学中心。2.根据权利要求1所述结构的标定方法，其特征在于，首先对摄像机标定，建立摄像机的内参和外参，并在光栅面投射数目大于(3)的标记点，然后运用立体视觉系统对标记点的左边进行测量，进而拟合出光栅平面，此时运用几何原理可得到CCD1的光学中心与光栅面间的距离，即参数h；保证点光源能绕CCD(1)的光学中心旋转，控制点光源(1)逆时针旋转90度，使其进入双目立体视觉测量系统视场，然后以点光源(1)为特征点，测量其世界坐标，其纵坐标即为参数d。3.根据权利要求1所述结构的失调误差消除方法，其特征在于，具体步骤是：第一步：搭建测量结构，进行参数标定后，将测量物体置于测量空间，运用电动位移台(4)以小单位移动测量光栅(6)获得数帧相移条纹图；第二步：通过对条纹图进行处理，以确定光栅移动量，进而获得初始估计相移；第三步：根据拍摄的条纹图计算相位，并运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开，进而获得初始估计测量高度；第四步：更新相移进而更新测量高度。4.根据权利要求3所述的失调误差消除方法，其特征在于，所述第四步的具体方法是：测量时，将工件置于测量空间，开启光源照射测量光栅，在物体表面产生莫尔条纹图，然后控制光栅相对初始位置，垂直光栅面移动两次，并使用摄像机摄取并存储该光场变化，便得到了用于解调物体表面形貌的相移条纹图表达式如下：假设a(x,y)为背景，b(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜虎兵，宇建红，张少锋，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61