本发明专利技术公开了一种三频彩色条纹投影三维测量方法：使计算机生成彩色条纹图，将该彩色条纹图经数字投影仪投影至被测物面，彩色CCD在另一角度拍摄变形彩色条纹图，将含高频条纹的颜色通道与含中频条纹的颜色通道相减得到高、低频复合的条纹图；继而进行分解，分离高、中载频分量；同理，将含中、低频率分量的颜色通道相减，再进行分解得到中、低载频分量；以二维短时傅立叶变换解调得到的高、中、低各载频分量包裹相位，按低、中、高载频分量依次完成包裹相位展开，得到高频载频项的展开相位，由此展开相位恢复物体高度。该测量方法采用三频彩色条纹投影技术，形成基于单帧拍摄的全场三维测量技术，可以快速实现动态物体的全场三维轮廓测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学检测方法，特别是。
技术介绍
动态物体的三维测量在工业生产、国防安全、医学研究、生活娱乐等众多领域具有广阔的应用前景，例如产品质量的在线检测、医疗修复手术、人脸识别、数字媒体等。为了实现动态物体快速精确的三维测量，通常采用多摄像机拍摄的立体视觉方法和条纹投影的结构光方法。立体视觉技术由于存在立体匹配的不确定性使测量精度较低， 多个摄像机也增加的硬件成本。条纹投影方法目前主要采用灰度复合条纹和彩色条纹投影两种途径。灰度复合条纹投影法将几种载频条纹组合在灰度条纹中，傅立叶变换用以提取各载频项的包裹相位，采用不同的去包裹算法将相位展开，该方法由于不同载频之间的频谱混叠限制了其测量范围。彩色条纹投影增加了条纹信息，然而被测物体的颜色、投影仪和 CCD之间的颜色耦合严重影响测量精度。采用滤光片和彩色3-CCD可以从硬件角度消除颜色耦合，但采用滤光片极大地削弱了光强，选用彩色3-CCD增加了成本。数字投影仪用于彩色三步相移条纹投影，借助旋转色轮快速切换三帧相移条纹图，避免了彩色的颜色耦合问题，但是该方法主要有两点不足一是受旋转色轮切换速率的限制，难以测量高速运动的物体；二是相位的展开在空域进行，算法复杂、可靠性低。文献(Zhou X, Zhao H, Zhang PF. Optical 3D shape measurement for dynamic obj ect using color fringe pattern proj ection and empirical mode decomposition. Europe Optical Metrology International Symposium, Proc of SPIE, Vol. 7389,Munich, Germany, 2009)提出了一种三频彩色条纹投影的三维测量方法。该方法采用三种频率的彩色正弦条纹投影到物体表面，并采用一维EMD方法进行频率分离，利用 Hilbert变换提取相位信息，最后采用变精度去包裹方法得到高频条纹的展开相位。该方法作为解决动态测量的一种思路是可取的，但真正测量动态物体还是比较困难的，原因在于1)所述方法均采用一维信号处理技术，即把条纹看作是若干行信号的简单叠加 (见该文献2. 2.2节)。包括条纹投影方向、EMD分解方法、Hilbert变换均为一维方法。而待分析的变形条纹图为二维图像，一维处理方法忽略了局部像素各个方向上的关联关系， 因此处理效果较差。比如在物体高度变换剧烈的区域会出现较大误差，且误差沿处理方法扩展(见该文献图7，人脸石像的边缘及五官边缘有较大的横向扩展误差)。2)所述一维EMD颜色解耦算法(见该文献2. 2. 2节)只考虑了去除其他载频分量的颜色串扰，而没有考虑背景光强变化造成的频谱混叠问题，导致相位求解精度下降。同时，一维EMD分解方法由于不能利用二维图像灰度信息，使极值点的提取极易受到噪声的干扰，导致严重的误差(见该文献图5，分离出的三个条纹分量在人脸石像的边缘有明显的拉线现象)。3)所述的Hilbert变换数一维信号处理方法，不适用于二维变形条纹，同时条纹固有的高次谐波混叠导致相位结果中有明显的波纹现象(见该文献图7(c))。因此，zhou等在文献中提出的方法具有明显的缺陷，也没有给出动态物体的测量结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供，该测量方法采用三频彩色条纹投影技术和二维信号处理手段，形成基于单帧拍摄的全场三维测量技术，可以快速实现动态物体的全场三维轮廓测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的该种三频彩色条纹投影三维测量方法为计算机生成彩色条纹图，其RGB三个颜色通道分别由低、中、高三种载频的正弦条纹生成，RGB三个颜色通道对应的三个正弦条纹的载频频率高低排列顺序是任意的，高、中及中、低载频大小之比均大于2且小于10;将该彩色条纹图经数字投影仪的RGB三个彩色通道同时投影至被测物面，彩色CCD在另一角度拍摄变形彩色条纹图，将变形彩色条纹图中含高频条纹的颜色通道与含中频条纹的颜色通道相减以消减背景光强，得到高、低频复合的条纹图；继而用二维经验模式分解BEMD进行分解，分离高、中载频分量；同理，将含中、低频率分量的颜色通道相减，得到中、低频复合的条纹图，用二维经验模式分解BEMD分解得到中、低载频分量；以二维短时傅立叶变换解调得到的高、中、低各载频分量包裹相位，最后以变精度去包裹算法按低、中、高载频分量依次完成包裹相位展开，得到高频载频项的展开相位，由此展开相位恢复物体高度。上述彩色条纹图中的正弦条纹分布方向包括水平、竖直和倾斜三种。进一步的，将上述变形条纹图RGB三分量两两相减以消除背景光强分布，具体方法按照如下步骤进行第一步，由M位彩色变形条纹图RGB三通道得到三幅条纹图；第二步，B、G条纹图相减，得到复合频率条纹图，进而用二维经验模式分解BEMD对其分解，得到BIMFl分量和BIMF2分量，分别对应高频和中频分量；第三步，R、G条纹图相减，得到复合频率条纹图，使用二维离散小波变换降噪，以去除其中残留的高频条纹分量，再用二维经验模式分解BEMD对其分解，得到BIMFl分量和 BIMF2分量，则分别对应中频和低频分量；经过上述步骤，使彩色条纹图全局的高、中、低各载频分量彻底分开，实现颜色解華禹。以上在实施二维经验模式分解BEMD时，采用形态学方法找寻条纹图极值点，采用二维自适应移动平均算法构造上、下包络曲面。具体如下首先定义条纹图的脊线和谷线为极值点，接着采用如下迭代方法找寻脊线和谷线·1)对彩色条纹图进行二值化，采用细化方法找寻脊线，作为它们的初始值； 2)使用梯度法计算脊线法线方向，并沿法线方向找寻局部极值点，利用膨胀和细化算法连接这些极值点，作为新的脊线； 3)重复步骤1)至2)直到两次脊线位置差值小于预先设定的参数，由此得到极大值点分布图；4)采用相反的二值化并重复上述步骤1)至3)得到谷线，即极小值点分布图。进一步构造彩色条纹图上、下包络曲面，方法如下a)首先对极大值点分布图采用欧式距离变换，将其分割为若干小区域；b)将每个小区域中的像素值用该小区域中的极大值点代替，形成粗糙的条纹图上包络曲面；c)对于小区域中的每个像素点，以该小区域内最远两像素点距离为该像素点的窗口半径参数，则每个小区域的像素点都得到不用于其它小区域的窗口半径参数；d)以此半径参数对步骤b)中粗糙的条纹图上包络曲面进行变窗口自适应二维移动平均，得到光滑的上包络曲面；e)同理，对极小值图采用上述步骤步骤a)至d)得到光滑的下包络曲面。本专利技术具体具有以下几点有益效果(1)本专利技术采用三频彩色条纹投影技术，形成基于单帧拍摄的全场三维测量技术， 为纹理无特征、形状不规则的动态复杂物体三维测量提供了新方法。(2)本专利技术采用二维信号处理技术，提出基于二维经验模式分解BEMD的频率分离方法和二维傅里叶变换的相位解调方法，有效的解决了已有一维EMD方法的抗噪声能力差和相位提取精度低的问题，从而实现了彩色变形条纹图的无失真颜色解耦。(3)本专利技术提出了二维形态学BEMD，有效的解决了传统BEMD在极值点提取时不稳定的困难，提高了分解的可靠性。附本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种三频彩色条纹投影三维测量方法，其特征在于，计算机生成彩色条纹图，其ＲＧＢ三个颜色通道分别由低、中、高三种载频的正弦条纹生成，ＲＧＢ三个颜色通道对应的三个正弦条纹的载频高低排列顺序是任意的，高、中及中、低载频大小之比均大于２且小于１０；将该彩色条纹图经数字投影仪的ＲＧＢ三个彩色通道同时投影至被测物面，彩色ＣＣＤ在另一角度拍摄变形彩色条纹图，将变形彩色条纹图中含高频条纹的颜色通道与含中频条纹的颜色通道相减以消减背景光强，得到高、低频复合的条纹图；继而用二维经验模式分解ＢＥＭＤ进行分解，分离高、中载频分量；同理，将含中、低频率分量的颜色通道相减，得到中、低频复合的条纹图，用二维经验模式分解ＢＥＭＤ分解得到中、低载频分量；以二维短时傅立叶变换解调得到的高、中、低各载频分量包裹相位，最后以变精度去包裹算法按低、中、高载频分量依次完成包裹相位展开，得到高频载频项的展开相位，由此展开相位恢复物体高度。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周翔，赵宏，邹海华，杨涛，刘锐，刘振军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
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