一种基于条纹投影测量模型的测量方法、装置和控制设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于条纹投影测量模型的测量方法、装置和控制设备，测量方法包括：基于三个坐标系，利用条纹投影测量模型中相机、投影仪和被测点之间的几何关系，建立被测点在相机坐标系下的深度坐标与对应的绝对相位值之间的第一映射关系，得到条纹投影测量模型的数学表达式；三个坐标系包括世界坐标系、相机坐标系和像素坐标系；对条纹投影测量系统进行标定，确定数学表达式中的待标定参数；其中，条纹投影测量系统利用条纹投影测量模型构建；根据条纹投影测量系统获得的被测点的绝对相位值和像素坐标，获得被测点的三维坐标。本方案，能够解决现有技术中基于相位高度映射的条纹投影测量方法对相位差、参考平面及精密测量用具依赖性过高的问题。依赖性过高的问题。依赖性过高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于条纹投影测量模型的测量方法、装置和控制设备


[0001]本专利技术涉及光学测量
，特别涉及一种基于条纹投影测量模型的测量方法、装置和控制设备。

技术介绍

[0002]条纹投影测量方法作为一种结构光三维测量方法，具有测量速度快、精度高、无应力接触、应用范围广以及方便快捷等特点，被广泛应用在工业测量、逆向工程、生物医药、文物修复以及日常生活娱乐等方面。
[0003]条纹投影测量方法需要向测量对象表面投影一系列具有一定相位差的正弦条纹图案，然后采集经测量对象表面调制后变形的条纹图案，解算出包裹相位后，根据相位展开算法计算出测量对象表面的绝对相位值，再根据测量系统模型得到测量对象表面的深度信息以实现三维测量。因此，典型的条纹投影测量系统一般包含一台相机、一台投影仪与一台计算机。
[0004]由于条纹投影测量系统必须在系统标定后才能进行三维测量，因此测量系统的标定与测量的结果息息相关。测量系统的标定方法根据测量原理的不同主要可分为三类，分别是：基于几何约束关系的传统条纹投影标定方法、基于立体视觉原理的伪相机标定方法和基于相位
‑
高度映射关系的条纹投影标定方法。
[0005]其中，第一类是基于几何约束关系的传统条纹投影标定方法，该类方法通过系统间的几何结构参数建立模型，只需标定系统间的几何参数，即可实现三维测量。但是，该类方法对相机、投影仪以及参考平面的空间相对位置关系有着严格的要求。例如，相机与投影仪的光心连线需要与参考平面满足平行约束，相机或投影仪的光轴同参考平面满足垂直约束，相机与投影仪的光轴需要满足在参考平面上的相交约束。这些平行、垂直、相交的几何约束关系极大的降低了测量系统标定的灵活性与工作效率，同时对系统的安装精度也提出了极高的要求。目前，有部分学者提出了改进的条纹投影测量模型以放宽相机、投影仪与参考平面之间的几何约束关系，但这些方法仍不能完全消除上述测量系统的限制条件。
[0006]第二类是基于立体视觉原理的伪相机方法，该方法与立体视觉测量方法类似，因此在测量前需要同时标定相机与投影仪，获得两者的空间位置关系。由于相机标定技术十分成熟，所以该测量方法的关键技术在于投影仪的标定。由于这一类方法在实际使用中不需要考虑相机和投影仪间的空间关系，操作简单。但是，伪相机方法依赖相位值建立相机和投影的对应关系，投影仪标定结果的准确性取决于相位展开的精度，而实际标定过程中相位误差不可避免，影响投影仪标定精度。此外，投影仪镜头的制造精度低于工业相机，在标定过程中采用针孔模型将引入数倍于相机的标定误差。
[0007]第三类是基于相位
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高度映射关系的条纹投影测量系统标定方法。通过测量对象表面点的相位值与其高度信息，使用最小二乘方法建立直接的数学关系，基于相位
‑
高度映射关系的进行标定测量。该类系统的标定方法只需要标定相位
‑
高度映射关系中的相关系数，不需要考虑相机和投影仪之间需要满足的平行、垂直、相交的几何约束关系。然而，现有
技术中的标定方法都未考虑测量过程中相机镜头畸变对测量结果的影响，而且存在参考平面，造成了误差积累。目前，虽然有部分学者提出了改进方法，但是仍然存在计算复杂度高、计算效率低以及计算过程费时等问题。
[0008]基于相位
‑
高度映射的条纹投影测量方法的思路通常通过建立测量系统的数学模型，在该模型下测量对象表面相位和高度满足一定的对应关系，求解这种对应关系即是相位
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高度映射的关键。目前的方法都是使用最小二乘方法拟合计算出测量系统的待标定参数，这种方法可以使相机和投影仪完全摆脱传统条纹投影测量方法中几何关系的约束，相机，投影仪可以摆放在空间中的任意位置。但这些方法也都存在各自的局限性：首先是大部分测量模型的相位
‑
高度映射关系相位值是测量对象与参考平面间的相位差值，需要借助参考平面，将不可避免地产生相位误差积累，进一步传递到物体的高度计算，同时参考平面还在一定程度上降低了标定、测量的效率。其次是多数条纹投影测量方法的标定过程采用多个已知位置的平行面对待求参数进行最小二乘拟合，因此需要使用多个精密量块或者是精密位移台移动参考平面形成多个平行面。
[0009]综上所述，基于几何约束关系的传统条纹投影测量方法受限于三角测量原理的几何约束，标定过程相机和投影仪难以满足严苛的约束条件；基于立体视觉原理的伪相机方法结构简单，但投影仪标定对精度影响的因素较多；而基于相位高度映射的条纹投影测量方法的标定过程则需要参考平面、精密量块或者是精密位移台辅助标定，以实现相位差与高度的映射关系，造成条纹投影测量方法在实际使用过程中存在标定复杂、易用性差等缺陷。

技术实现思路

[0010]本专利技术实施例提供一种基于条纹投影测量模型的测量方法、装置和控制设备，用以解决现有技术中基于相位高度映射的条纹投影测量方法对相位差、参考平面以及精密测量用具依赖性过高的问题。
[0011]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]依据本专利技术的一个方面，提供了一种基于条纹投影测量模型的测量方法，包括：
[0013]基于三个坐标系，利用条纹投影测量模型中相机、投影仪和被测点之间的几何关系，建立所述被测点在相机坐标系下的深度坐标与对应的绝对相位值之间的第一映射关系，得到所述条纹投影测量模型的数学表达式；其中，所述三个坐标系包括世界坐标系、相机坐标系和像素坐标系；所述被测点为待测对象表面上的一个位置点；
[0014]对条纹投影测量系统进行标定，确定所述数学表达式中的待标定参数；其中，所述条纹投影测量系统利用所述条纹投影测量模型构建；
[0015]根据所述条纹投影测量系统获得的所述被测点的绝对相位值和像素坐标，获得所述被测点的三维坐标。
[0016]可选地，所述基于三个坐标系，利用条纹投影测量模型中相机、投影仪和被测点之间的几何关系，建立所述被测点在相机坐标系下的深度坐标与对应的绝对相位值之间的第一映射关系，得到所述条纹投影测量模型的数学表达式，包括：
[0017]根据相机、投影仪和被测点之间的几何关系，获得所述被测点在所述世界坐标系下的Z轴坐标与对应的绝对相位值之间的第二映射关系；
[0018]根据小孔成像原理、世界坐标系与相机坐标系间的变换关系及所述第二映射关系，获得所述被测点在所述世界坐标系下的Z轴坐标与成像点在所述相机坐标系下的坐标之间的第三映射关系；其中，所述成像点为所述被测点在所述相机上的成像点；
[0019]根据所述相机和所述被测点之间的几何关系、相机坐标系与像素坐标系间的变换关系及所述第三映射关系，获得所述被测点在所述相机坐标系下的Z轴坐标与所述成像点在所述像素坐标系下的坐标之间的第四映射关系；
[0020]根据镜头畸变影响公式与所述第四映射关系，获得所述条纹投影测量模型的数学表达式。
[0021]可选地，所述镜头畸变影响公式为：
[0022][0023]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于条纹投影测量模型的测量方法，其特征在于，包括：基于三个坐标系，利用条纹投影测量模型中相机、投影仪和被测点之间的几何关系，建立所述被测点在相机坐标系下的深度坐标与对应的绝对相位值之间的第一映射关系，得到所述条纹投影测量模型的数学表达式；其中，所述三个坐标系包括世界坐标系、相机坐标系和像素坐标系；所述被测点为待测对象表面上的一个位置点；对条纹投影测量系统进行标定，确定所述数学表达式中的待标定参数；其中，所述条纹投影测量系统利用所述条纹投影测量模型构建；根据所述条纹投影测量系统获得的所述被测点的绝对相位值和像素坐标，获得所述被测点的三维坐标。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述基于三个坐标系，利用条纹投影测量模型中相机、投影仪和被测点之间的几何关系，建立所述被测点在相机坐标系下的深度坐标与对应的绝对相位值之间的第一映射关系，得到所述条纹投影测量模型的数学表达式，包括：根据相机、投影仪和被测点之间的几何关系，获得所述被测点在所述世界坐标系下的Z轴坐标与对应的绝对相位值之间的第二映射关系；根据小孔成像原理、世界坐标系与相机坐标系间的变换关系及所述第二映射关系，获得所述被测点在所述世界坐标系下的Z轴坐标与成像点在所述相机坐标系下的坐标之间的第三映射关系；其中，所述成像点为所述被测点在所述相机上的成像点；根据所述相机和所述被测点之间的几何关系、相机坐标系与像素坐标系间的变换关系及所述第三映射关系，获得所述被测点在所述相机坐标系下的Z轴坐标与所述成像点在所述像素坐标系下的坐标之间的第四映射关系；根据镜头畸变影响公式与所述第四映射关系，获得所述条纹投影测量模型的数学表达式。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述镜头畸变影响公式为：其中，u表示无镜头畸变影响的像素坐标的横坐标；v表示无镜头畸变影响的像素坐标的纵坐标；u
d
表示畸变后的像素坐标的横坐标；v
d
表示畸变后的像素坐标的纵坐标；s
i,j
和t
i,j
表示畸变补偿系数；n表示拟合阶数。4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述条纹投影测量模型的数学表达式为：其中，Z
C
表示被测点在相机坐标系下的Z轴坐标；n表示拟合阶数，且n为大于或等于2的正整数；φ表示被测点的绝对相位值；a
i,j
、b
i,j
、c
i,j
和d
i,j
表示待标定参数。5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述条纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少丽，刘威，戚慧志，何森，张旭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：