测量技术及计算机数控技术。测量设备包括：投影仪；照相机；生成器，根据校准时由投影仪投影到表面上的条纹图的拍摄图像产生第一元组，各第一元组包括照相机受光面上的点坐标、光强及表面高度；转换器，将光强转换成条纹图的相位角并产生第二元组，各第二元组包括受光面上的点坐标、相位角及表面高度；超曲面生成器，根据第二元组产生张量积型复合超曲面表示数据；提取器，根据测量时由投影仪投影到物体上的条纹图的拍摄图像提取包括受光面上的点坐标和光强的第三元组数据；第二转换器，将光强转换成条纹图的相位角以产生包括受光面上的点坐标及相位角的第四元组数据；以及插值器，利用张量积型复合超曲面表示数据来插值以产生高度数据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种通过将光投影至一待测物体来测量该待测物体的三维形状的技术。
技术介绍
三维形状的测量不仅应用于工业领域，而且应用于社会各个领域，诸如医学、生物学、考古学以及艺术作品的检查和复原。在三维测量中，与传统的接触式测量相比，非接触式光学测量已成为一种更加理想的技术。将光学测量中的区域测量广义地划分成以下两类方法光切法(lightsection method)，通过利用一线性缝光(slit light)沿垂直于狭缝方向的方向扫描一区域来进行对该区域的测量；以及，通过表面对区域进行测量的测量方法。对于光切法，尽管已经开发了各种方法，但是基本上这些方法都基于图1所示的原理。即，利用光切法的测量单元包括包括诸如激光器的光源和狭缝1010的缝光投影系统，以及包括透镜1012和受光单元(其受光面)1013的照相机系统。即，来自缝光投影系统的缝光被投影到待测物体1011。在图1所示的示例中，将由阴影线所表示的缝光投影到待测物体1011。通过使用包括在照相机系统中的透镜1012将投影到待测物体1011的缝光的图像聚焦在受光单元1013上。例如，缝光被投影到其上的待测物体上的一点P(X，Y，Z)(其中(X，Y，Z)是实际坐标系中的坐标值)被观测为受光单元(其受光面)1013上的P(x，y)(其中(x，y)是受光面上的坐标值)。其中，采用以下方式以预定的间隔移动该测量单元的缝光投影系统和照相机系统利用缝光扫描待测物体1011的测量范围，并且在每次移动缝光投影系统和照相机系统时利用该照相机系统摄取投影至待测物体1011的缝光的图像。此外，假设通过透镜1012的中心并与受光单元(其受光面)1013垂直的直线(图1中所示的单点划线)和缝光平面的交点为Q，并且连接狭缝1010的中心和缝光投影系统的透镜1012的中心的线段α的长度为L。接下来，将利用图2对图1中所示的测量单元与待测物体之间的位置关系进行详细说明。其中，假设狭缝1010的中心为点R，而透镜1012的中心为点S。这时，线段RP与线段PS之间的夹角为β+γ，并且由垂直于线段RS的直线(参考线)分成β和γ。另外，线段PR和线段RS之间的夹角为θ，而线段PS和线段SR之间的夹角为Φ。此外，与主轴重叠的线段QS和线段SR之间的夹角为Φ0，并且Φ0-Φ＝Φ′。并且，假设点S与受光单元的受光面1013之间的距离为1，并且线段RS与点P之间的距离为待测长度Z。由此建立以下公式。Z=tanθ·tanΦtanθ+tanΦ·L]]>其中，在受光单元的受光面1013上的相对于主轴偏移Δx的p点观察点P，从而有Φ′＝tan-1(Δx/1)，并由此可以计算出Φ(＝Φ0+Φ′)。因此，如果角度θ、Φ0和Φ′以及长度l和L已知，则可以根据上述数学公式计算出Z。当然，这些参数本身包括测量误差。在光切法中，如上所述，需要缝光投影系统等的机械移动机构，从而这将产生瓶颈，并且产生不能缩短测量所需时间从而降低效率的问题。因此，将光切法应用于需要缩短测量所需时间的领域存在问题。此外，由于光切法具有机械移动机构，因此该光切法带来要花费大量时间和人力进行维护和调节的问题。另一方面，利用表面对区域进行测量的典型方法包括用于通过莫尔条纹(moire fringe)获取轮廓线的云纹方法(moire method)，以及通过将带状光栅图案投影到物体上来观测所形成的条纹图案(fringe pattern)的条纹图案投影法。目前，特别是在考虑到测量精度和测量单元的成本时，后一方法是为人所期望的。如图3所示，条纹图案投影设备通常分成两个系统投影系统，包括投影单元1000、投影仪透镜1002以光栅1001；以及，照相机系统，包括照相机单元1005，其通过透镜1006拍摄投影到待测物体1004上的变形条纹图案1003的图像。投影单元1000通过透镜1002将光栅1001形成的条纹投影到待测物体1004上。由投影所产生的条纹图案因待测物体1004的凸起和凹陷而变形。照相机单元1005在与投影方向不同的方向上拍摄变形后的条纹图案1003的图像，通过诸如CCD(电荷耦合器件)的受光单元将其转换为电信号，并且将这些电信号存储在存储装置中。然后，通过对这些电信号进行分析，测量出待测物体1004的三维形状。其中，各个受光单元输出一电信号，如与元件点处的光强对应的电压。对于光栅1001，以往将其固定地形成在玻璃板等的表面上，但是在最近，由液晶等形成的光栅已经投入实际使用，并且实践中已经使用了由计算机在液晶器件中实现的带状光栅。通常，设置了垂直于投影单元1000的光轴的基准平面，并且在此基准平面上，设置了两个轴沿条纹方向的Y轴和垂直于条纹方向的X轴。在文献“Automatic Measurement of 3-D Object Shapes Based onComputer-generated Reference Surfaces”by H.Lu et al.，Bull.Japan Soc.ofPrec.Eng.Vol.21，No.4，p251(1987)中对此给予了详细公开。在该方法中，将条纹图案表达为光强I相对于垂直于条纹的X轴上的位置的波，并且利用将待测物体1004置于基准平面上的情况下的波的相位Φ(＝Φ2)对条纹图案进行分析，或者利用基准平面上的波的相位Φ1与在将待测物体1004置于基准平面上的情况下的波的相位Φ2之间的相位差ΔΦ(＝Φ2-Φ1)，对条纹图案进行分析。因此，另选地还将该条纹图案投影法称为“调制条纹相位法”。其中，使用波的相位差ΔΦ的原因是为了通过抵消(deduction)来消除测量中所引起的系统误差以提高精度。在该方法中，如果亮条纹和暗条纹彼此相关，则可以任意地设定条纹波(明条纹和暗条纹对)数。顺便提及的是，通常在假设对于条纹波的1个波长相位角为2π的基础上进行计算。在上述文献中公开了详细的计算公式，因此在此将省略对其的详细说明。为了计算ΔΦ，根据光学几何位置关系(如光栅1001与透镜1002之间的距离、照相机单元1005的光轴和投影单元1000的光轴的交点与透镜1002的距离、条纹间距，以及照相机单元1005的光轴与投影单元1000的光轴之间的夹角)，来计算Φ1。这些几何位置本身包括测量误差。除此以外，在文献“Three-Dimensional Shape Measurement by LiquidCrystal Grating Pattern Projection”by Ken Yamatani et al.，Bull.Japan Soc.Of Prec.Eng.Vol.67，No.5，p.786(2001)以及“Fourier TransformProfilometry for the Automatic Measurement of 3-D Object Shapes”byMitsuo Takeda et al.，Applied OPTICS.Vol.22，No.24，p.3977(1983)中，还公开了利用其他的计算公式来计算测量值等的方法。在这些文献中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测量设备，包括： 投影仪，用于投影一条纹图案； 照相机，用于拍摄图像； 生成器，用于根据在进行校准时由所述投影仪投影到具有不同高度的多个表面中的每一表面上的条纹图案的拍摄图像，产生一包括多个第一元组的第一集合，每个所述第一元组包括所述照相机的受光面上的一点的坐标、所述点的光强、以及所述表面的高度，其中，纵向方向上的所述点的数量和横向方向上的所述点的数量对于每个所述表面都是相同的；以及 转换器，用于将所述光强转换成所述投影条纹图案的相位角，并且产生一包括多个第二元组的第二集合，以通过使用每个所述第二元组作为一节点来构成一矩形网格，每个所述第二元组包括所述受光面上的所述点的所述坐标、所述相位角以及所述表面的高度。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：铃木建彦，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。