高反光物体三维面型测量方法和测量设备技术

本发明专利技术公开了一种高反光物体三维面型测量方法和测量设备，其中测量方法包括：1、生成两组周期不同的理想正弦光栅，每组中包括两幅周期相同、初始相位差为

【技术实现步骤摘要】
高反光物体三维面型测量方法和测量设备
本专利技术属于三维面型深度信息测量
，具体涉及一种采用计算机视觉方法测量高反光物体三维面型深度信息的方法和设备。
技术介绍
光学高反光产品在汽车生产、航空科技、工业生产、医药科学方面等发挥了非常重要的作用。随着高反光物体的测量需求不断增加，非接触式测量方法得到了国内外广大学者的重视，其中主要以相位测量偏折术为基础测量高反光物体表面。在申请人检索的范围内，可以检索到如下相关的文献信息：张建成在文献“基于条文反射术的高反射物体面形测量方法的研究[D].南昌航空大学,2016”中，提出采用二进制离焦条纹代替传统的正弦编码条纹虽然解决了CCD相机接收的被测高反射物面的正弦条纹图像因为离焦而出现的模糊问题和投影仪自身的gamma效应。但是二进制离焦产生的高次谐波会降低离焦光栅的正弦性，带来较大的测量误差。屈国丽在文献“基于条纹反射的镜面物体三维形貌测量方法研究[D].南昌航空大学,2019”中采用三角波条纹作为投影条纹，通过空气系统的离焦作用，来获得正弦条纹。但三角波离焦系统需要投影仪与电磁波的理论结合，实现起来比较复杂。刘玥在文献“基于条纹反射法测量非连续镜面三维形貌的研究[D].河北工业大学,2016”中搭建了一种原件固定，计算简单，通过相位信息可以直接获得深度的几何模型，但这个几何模型需要透光镜保持一定的角度才能使得CCD相机拍摄到被测物体的条纹图像，然而角度的调整很难确保很高的精度。陈超辉在“图像误差扩散半色调技术研究[D].湖南工业大学,2017”中提出了一种基于间断扫描方式的误差扩散半色调算法，同时将固定的量化阈值改为自适应的量化阈值。但间断式扫描相对于“S”形的扫描方式，扫描的路径更复杂，且需要更多的扫描时间。吕蓓婷在文献“基于相位测量偏折术的镜面物体三维测量[J].激光与光电子学进展,2019,56(03):182-189”中以相位测量偏折术为基本技术原理，构建了由LED平板显示屏、被测镜面物体和CCD摄像机组成的测量系统，但是该系统需要投影仪投影水平和竖直的条纹到被测物体表面，CCD相机接收变形的条纹和标准的条纹，得到相位和梯度的代数关系，然后对梯度进行积分重建被测物体三维面形。此系统相比于双显示屏单相机系统，增加了积分运算的计算过程，会增加测量系统的复杂性。朱立新在文献“基于双目视觉与条纹反射的类镜面检测技术研究[D].广西师范大学,2019”中利用双目视觉的方法，通过标定两个相机之间的关系建立数学模型，根据相位信息求出被测物体表面的梯度和深度。但是该方法在标定的过程中涉及的角度多，容易造成测量的误差。吕江昭,达飞鹏,郑东亮等人在“基于SierraLite抖动算法的散焦投影光栅测量,2014,34(03):135-143”中提出了采用“S”形扫描SierraLite误差扩散算法生成二值光栅，较大地改善了散焦后光栅的正弦性，但误差扩散抖动技术里面涉及的量化误差分布到尚未处理的相邻像素，实际操作起来比较困难，因此降低了测量的效率。由上述文献可以看出，相位测量偏折术由于具有高精度、非接触、测量范围大的特点，而成为高反光物体检测的研究热点。传统的相位测量偏折测量系统，通常借助增加相机的个数或者变化多个视角采集被测表面的方式，这些系统都是利用相位求解梯度，再将梯度数据进行积分运算，从而恢复三维物体的形貌。相位信息的精确度影响到最终三维物体表面深度信息的精确度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术旨在提供一种高反光物体三维面型测量方法，该方法能够获取高精度的绝对相位，从而能够得到高反光物体三维面型的精确深度信息。技术方案：本专利技术一方面公开了一种高反光物体三维面型测量方法，包括：S1、生成两组周期不同的理想正弦光栅，每组中包括两幅周期相同、初始相位差为的理想正弦光栅；S2、构建可以移动的单显示屏单相机测量系统，设置显示屏与参考平面平行，且与参考平面的距离为d；参考平面在所述相机的景深范围内；S3、利用步骤S1生成的四幅理想正弦光栅计算被测物体表面的绝对相位φ(x,y)；S4、对测量系统进行第一次标定，计算参考平面的绝对相位φr(x,y)；S5、平移显示屏，使显示屏与参考平面仍平行，且与参考平面的距离为d+Δd；重复步骤S3，计算被测物体表面的绝对相位φ′(x,y)；S6、对测量系统进行第二次标定，计算参考平面的绝对相位φ′r(x,y)；S7、得到待测物体表面到参考平面的深度值h(x,y)：具体地，所述步骤S1包括：S11、利用计算机生成大小均为M行N列、周期分别为λ1和λ2两组标准正弦光栅图像P1、P′1和P2、P′2；其中P1和P′1的周期均为λ1，相位差为P2和P′2的周期均为λ2，相位差为λ2>λ1；S12、P1、P′1、P2和P′2分别经过Bayer有序抖动方法生成二值抖动光栅图像G1、G′1、G2和G′2；S13、G1、G′1、G2和G′2分别经过投影仪散焦系统生成理想正弦光栅Q1、Q′1、Q2和Q′2。所述步骤S3包括：S31、将步骤S1生成的四幅理想正弦光栅由显示屏分别投射到被测物体表面，用相机采集大小为W×H的变形光栅条纹图像；采用四步相移法分别获取主值相位和0≤x≤W-1，0≤y≤H-1；S32、计算每组变形光栅条纹图像的主值相位平均值：其中Φ1(x,y)为第一组理想正弦光栅主值相位的平均值；Φ2(x,y)为第二组理想正弦光栅主值相位的平均值；S33、计算被测物体表面的绝对相位：其中Φ12(x,y)为两组变形光栅条纹图像的相位差：所述步骤S4具体包括：S41、参考平面上设置平面反射镜，将步骤S1生成的四幅理想正弦光栅由显示屏分别投射到平面反射镜上，用相机采集平面反射镜上大小为W×H的反射光栅条纹图像；采用四步相移法分别获取主值相位和0≤x≤W-1，0≤y≤H-1；S42、计算每组反射光栅条纹图像的主值相位平均值：其中Φr1(x,y)为第一组理想正弦光栅主值相位的平均值；Φ2(x,y)为第二组理想正弦光栅主值相位的平均值；S43、计算平面反射镜的绝对相位：其中Φr12(x,y)为两组反射光栅条纹图像的相位差：另一方面，本专利技术还公开了实现上述高反光物体三维面型测量方法的设备，包括：单显示屏单相机测量系统、二值抖动光栅图像生成模块、投影仪、绝对相位计算模块、测量系统标定模块、待测物体表面深度计算模块；所述单显示屏单相机测量系统包括显示屏、相机、导轨、被测物体放置装置；所述二值抖动光栅图像生成模块用于生成两组周期不同的理想正弦光栅，每组中包括两幅周期相同、初始相位差为的理想正弦光栅；所述投影仪用于对二值抖动光栅图像进行散焦处理，得到理想正弦光栅；所述单显示屏单相机测量系统中的显示屏用于将理想正弦光栅投射到被测物体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高反光物体三维面型测量方法，其特征在于，包括：/nS1、生成两组周期不同的理想正弦光栅，每组中包括两幅周期相同、初始相位差为

【技术特征摘要】
1.高反光物体三维面型测量方法，其特征在于，包括：
S1、生成两组周期不同的理想正弦光栅，每组中包括两幅周期相同、初始相位差为的理想正弦光栅；
S2、构建可以移动的单显示屏单相机测量系统，设置显示屏与参考平面平行，且与参考平面的距离为d；参考平面在所述相机的景深范围内；
S3、利用步骤S1生成的四幅理想正弦光栅计算被测物体表面的绝对相位φ(x,y)；
S4、对测量系统进行第一次标定，计算参考平面的绝对相位φr(x,y)；
S5、平移显示屏，使显示屏与参考平面仍平行，且与参考平面的距离为d+Δd；重复步骤S3，计算被测物体表面的绝对相位φ′(x,y)；
S6、对测量系统进行第二次标定，计算参考平面的绝对相位φ′r(x,y)；
S7、得到待测物体表面到参考平面的深度值h(x,y)：





2.根据权利要求1所述的高反光物体三维面型测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11、利用计算机生成大小均为M行N列、周期分别为λ1和λ2两组标准正弦光栅图像P1、P1′和P2、P′2；其中P1和P1′的周期均为λ1，相位差为P2和P′2的周期均为λ2，相位差为λ2>λ1；
S12、P1、P1′、P2和P′2分别经过Bayer有序抖动方法生成二值抖动光栅图像G1、G′1、G2和G′2；
S13、G1、G′1、G2和G′2分别经过投影仪散焦系统生成理想正弦光栅Q1、Q′1、Q2和Q′2。


3.根据权利要求1所述的高反光物体三维面型测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31、将步骤S1生成的四幅理想正弦光栅由显示屏分别投射到被测物体表面，用相机采集大小为W×H的变形光栅条纹图像；采用四步相移法分别获取主值相位和0≤x≤W-1，0≤y≤H-1；
S32、计算每组变形光栅条纹图像的主值相位平均值：






其中Φ1(x,y)为第一组理想正弦光栅主值相位的平均值；Φ2(x,y)为第二组理想正弦光栅主值相位的平均值；
S33、计算被测物体表面的绝对相位：



其中Φ12(x,y)为两组变形光栅条纹图像的相位差：





4.根据权利要求1所述的高反光物体三维面型测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41、参考平面上设置平面反射镜，将步骤S1生成的四幅理想正弦光栅由显示屏分别投射到平面反射镜上，用相机采集平面反射镜上大小为W×H的反射光栅条纹图像；采用四步相移法分别获取主值相位和0≤x≤W-1，0≤y≤H-1；
S42、计算每组反射光栅条纹图像的主值相位平均值：






其中Φr1(x,y)为第一组理想正弦光栅主值相位的平均值；Φ2(x,y)为第二组理想正弦光栅主值相位的平均值；
S43、计算平面反射镜的绝对相位：



其中Φr12(x,y)为两组反射光栅条纹图像的相位差：





5.高反光物体三维面型测量设备，其特征在于，包括：单显示屏单相机测量系统、二值抖动光栅图像生成模块、投影仪、绝对相位计算模块、测量系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锋，刘玉红，郭小芳，周斌斌，臧利年，李超，张勇停，汪平，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32