一种基于相移轮廓术的产线运动物体表面三维测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于相移轮廓术的产线运动物体表面三维测量方法。采用投影仪与相机组成的三维视觉测量系统，依据相移轮廓术的测量原理，分析了被测物体运动所带来的相位误差，提出了不需要相位误差校正的运动物体表面三维测量方法，通过设置投影仪和相机的安装位置及角度，使得投影仪投射的条纹图案中的相位编码方向与被测物体运动方向垂直，从而消除运动引起的相位误差，使得被测物体在运动情况下的表面三维测量结果基本达到了被测物体在静止情况下的测量精度，实现了实际产线运动物体的表面三维形貌的高精度在线实时测量。表面三维形貌的高精度在线实时测量。表面三维形貌的高精度在线实时测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相移轮廓术的产线运动物体表面三维测量方法


[0001]本专利技术涉及三维测量
，具体而言，尤其涉及一种基于相移轮廓术的产线运动物体表面三维测量方法。

技术介绍

[0002]相移轮廓术利用编码在条纹结构光中的连续相位信息实现物体表面的高精度、非接触以及全场快速三维形貌测量，广泛应用于各种三维测量领域。为了获取物体表面条纹中的相位信息，相移轮廓术需要得到物体表面至少三幅具有已知相移的条纹图。在获取条纹图的过程中，要求被测物体静止，否则相位信息受到窜扰，极大限制了相移轮廓术在运动物体表面三维测量方面应用。
[0003]物体运动给基于相移轮廓术的相位提取带来误差，进而直接影响物体表面三维形貌测量精度。公开文献中，基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量是一大研究热点，研究内容主要针对运动引起的相位误差校正。这些研究工作大多基于物体表面纹理是单调一致这一假设，利用运动过程中相位的空间或时间变化规律对相位进行误差校正。也有一些研究工作考虑物体表面纹理变化情况，利用目标跟踪的方法对相位误差进行校正。所有这些方法都有一个共同点，即物体运动都会带来相位误差，而误差校正的效果直接影响物体表面三维测量精度，存在适应差、鲁棒性不强、测量精度不高的问题。

技术实现思路

[0004]根据上述提出实际产线上的运动物体在线三维形貌测量需求较高，而现有技术无法满足这种需求的技术问题，而提供一种基于相移轮廓术的产线运动物体表面三维测量方法。本专利技术主要利用一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：在已知待测物体运动规律的前提下，使所述待测物体在一个固定的平面内平移并且具有固定的运动方向进行运动，通过设置投影仪的安装角度和位置，使得投影仪投射的条纹图案中的相位编码方向或者相位变化方向与被测物体运动方向垂直，或者投影图案中的条纹方向与被测体运动方向相同；保持在运动过程中被测体表面同一点的投影仪投射条纹的相位信息保持不变，消除运动引起的相位误差影响；通过安装在另一视角的相机对被测体表面进行运动跟踪，结合相机和投影仪立体标定结合获取被测体表面的的三维测量信息。
[0005]进一步地，所述通过投影仪投射的条纹图案中编码的相位信息是通过相移轮廓术进行获取的；所述相移轮廓术需要已知相移量的条纹图案且由相机采集多幅相应条纹图像进而实现投影仪投射条纹图案中的相位信息的求解。
[0006]进一步地，所述相移轮廓术为N步相移法。
[0007]更进一步地，在投影仪像素坐标系内，由于被测体运动方向平行于v轴，而式(3)中的相位编码又与v方向无关，因此被测体表面同一点在运动过程中相位信息保持不变，即：
[0008]φ(p1,q1)＝φ(p2,q2)＝
…
＝φ(p
n
,q
n
)＝φ(x,y)；(4)
[0009]因此，结合(2)和(4)，式(1)可以转化为
[0010]I
k
(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2(k
‑
1)π/N]；(5)
[0011]其中，k表示第k张条纹图，k＝1,2,..,N；(x,y)表示投影仪投射第1幅条纹图时被测体表面某一点在相机图像中的像素坐标；A(x,y)和B(x,y)分别表示该点对应的被测物体表面环境光照射强度和自身的表面反射率。
[0012]更进一步地，结合相机获取的像素灰度信息I
k
(x,y)，设置采集的图像信息N≥3，则对应的包裹相位为：
[0013][0014]其中，式(6)中所述包裹相位计算结果在
‑
π到+π之间，结合条纹级次k(x,y)，获取条纹图像的相位φ(x,y)：
[0015][0016]更进一步地，通过相机获取的相位φ(x,y)即可根据式(3)确定该点在投影仪像素坐标系下的坐标u；假设该点的三维坐标为(X
w
,Y
w
,Z
w
)，根据相机和投影仪的立体标定结果满足以下关系
[0017][0018]式(8)中，M
c
和M
p
分别为相机和投影仪的内外参标定结果；
[0019]通过同一点的相机像素坐标(x,y)和投影仪像素坐标u，根据式(8)消去无关项v、s1和s2，再合并同类项后得到：
[0020][0021]联立上述方程可以求解出该点三维坐标(X
w
,Y
w
,Z
w
)，进而实现被测体表面的三维形貌测量。
[0022]更进一步地，所述N步相移法中：
[0023]当被测物体运动时，对于物体表面同一点，在投影仪投射第k幅条纹图时，相机采集的条纹图像为：
[0024]I
k
(p
k
,q
k
)＝A
k
(p
k
,q
k
)+B
k
(p
k
,q
k
)cos[φ(p
k
,q
k
)+2π(k
‑
1)/N]；(1)
[0025]其中，(p
k
,q
k
)表示被测物体表面同一点在投影仪投射第k幅条纹图时相机采集图像中的像素坐标，以k＝1时该点在相机采集图像中的位置为基准，令p1＝x，q1＝y；A
k
(p
k
,q
k
)和B
k
(p
k
,q
k
)分别表示该点在第k步时对应的环境光照射强度和自身的表面反射率；φ(p
k
,q
k
)表示该点在第k步时投影仪投射的编码相位；(p
k
,q
k
)表示被测物体表面同一点在不同时刻相机图像平面内的像素位置跟踪结果；
[0026]在投影仪投射N幅条纹图期间，物体运动幅度不大，即物体表面同一点的位置(p
k
,q
k
)变化不大，环境光也比稳定，因此近似认为A和B不变，即：
[0027][0028]假设投影仪像素平面坐标系为(u,v)，被测体运动方向平行于v轴，则投影仪投射条纹的编码方式为：
[0029][0030]其中，T为条纹周期。
[0031]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0032]1、本专利技术通过设置投影仪和相机的安装位置及角度，使得投影仪投射的条纹图案中的相位编码方向与被测物体运动方向垂直，即可消除运动引起的相位误差，实现被测运动物体表面三维形貌的高精度实时在线测量。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：在已知待测物体运动规律的前提下，使所述待测物体在一个固定的平面内平移并且具有固定的运动方向进行运动，通过设置投影仪的安装角度和位置，使得投影仪投射的条纹图案中的相位编码方向或者相位变化方向与被测物体运动方向垂直，或者投影图案中的条纹方向与被测体运动方向相同；保持在运动过程中被测体表面同一点的投影仪投射条纹的相位信息保持不变，消除运动引起的相位误差影响；通过安装在另一视角的相机对被测体表面进行运动跟踪，结合相机和投影仪立体标定结合获取被测体表面的的三维测量信息。2.根据权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，所述通过投影仪投射的条纹图案中编码的相位信息是通过相移轮廓术进行获取的；所述相移轮廓术需要已知相移量的条纹图案且由相机采集多幅相应条纹图像进而实现投影仪投射条纹图案中的相位信息的求解。3.根据权利要求2所述的一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，所述相移轮廓术为N步相移法。4.根据权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，在投影仪像素坐标系内，由于被测体运动方向平行于v轴，而式(3)中的相位编码又与v方向无关，因此被测体表面同一点在运动过程中相位信息保持不变，即：φ(p1,q1)＝φ(p2,q2)＝
…
＝φ(p
n
,q
n
)＝φ(x,y)；(4)因此，结合(2)和(4)，式(1)可以转化为I
k
(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+2(k
‑
1)π/N]；(5)其中，k表示第k张条纹图，k＝1,2,..,N；(x,y)表示投影仪投射第1幅条纹图时被测体表面某一点在相机图像中的像素坐标；A(x,y)和B(x,y)分别表示该点对应的被测物体表面环境光照射强度和自身的表面反射率。5.根据权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，结合相机获取的像素灰度信息I
k
(x,y)，设置采集的图像信息N≥3，则对应的包裹相位为：其中，式(6)中所述包裹相位计算结果在
‑
π到+π之间，结合条纹级次k(x,y)，获取条纹图像的相位φ(x,y)：6.根据权利要求1所述的一种基于相移轮廓术的运动物体表面三维测量方法，其特征在于，通过相机获取的相位φ(x,y)即可根据式(3)确定该点在投影仪像素坐标系下的坐标u；假设该点的三维坐标为(X

【专利技术属性】
技术研发人员：何庆，于鹏，刘振鹏，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：