專利名稱：用兩個正交正弦光柵實現快速調制度測量輪廓術的方法
技術領域：
本發明涉及光學三維傳感技術，特別是涉及用相隔一定間距的兩個正交正弦光柵實現快速調制度測量輪廓術的方法。
背景技術：
三維物體表面輪廓測量，即三維面型測量，在機器視覺、生物醫學、工業檢測、快速成型、影視特技、產品質量控制等領域具有重要意義。光學三維傳感技術，由于其具有非接觸、高精度、易于自動控制等優點獲得很大發展?，F有的光學三維傳感方法主要包括三角測量法、莫爾條紋法(Moir6 Topography，簡稱MT)、傅里葉變換輪廓術(Fourier Transform Profilometry,簡稱 FTP)、空間位相檢測術(Spatial Phase Detection,簡稱SPD)、位相測量輪廓術(Phase Measuring Prof ilometry,簡稱PMP)、調制度測量輪廓術(Modulation Measurement Prof ilometry,簡稱MMP)等，這些方法都是通過對受三維物體面形調制的空間結構光場進行解調制，來獲得三維物體面形高度信息。其中調制度測量輪廓術由于采用投影方向和探測方向一致的測量系統，從而擺脫了基于三角測量原理的光學三維傳感方法中陰影、遮擋等限制，可以實現表面高度變化劇烈或不連續的物體的測量(如:Likun Suj Xianyu Suj Wansong Li，and Liqun Xiangj Application of modulation measurement profilometry to objects with surface holes, Applied Optics, 38(7)，1999，1153-1158)。在調制度測量輪廓術中，需要移動物體掃描多幀圖像才能完成測量，大大限制了其測量速度，從而影響了其實時性。應用本發明提及的利用兩個正交正弦光柵的方法，就可以解決這一技術難題。發明內容
本發明的目的則是針對調制度測量輪廓術測量速度慢的缺陷，提出一種在三維傳感技術測量中用兩個相隔一定間距的正交正弦光柵實現快速調制度測量輪廓術的方法。這種方法只需對物體采集一幀圖像，就可以恢復出物體的三維面形，使得調制度測量輪廓術能夠實現實時和動態測量。
本發明的目的是采用下述技術方案來實現的將兩個具有一定間距且正交的正弦光柵，通過投影系統同時投影在被測物體上。投影系統可以采用幻燈機，將兩個光柵用一塊固定厚度的玻璃隔開，做成一塊幻燈片。由于兩個光柵之間存在一定間距，所以它們的投影像面也是彼此分開的。然后將被測物體置于兩個光柵投影像面之間，CCD相機通過一個半透半反鏡從同一個方向獲取受到正交光柵調制的物體表面圖像。采用傅里葉變換、空間頻域濾波和逆傅里葉變換，將正交光柵圖像分離，而得到兩個光柵像在物體表面的調制度分布，利用預先標定得到的調制度比值和高度的對應關系恢復出物體高度，從而完成了對物體的測量。
本發明與現有技術相比有如下優點1.本發明提出一種新的快速調制度測量輪廓術，該方法只需采集一幅圖像，即可恢復出物體高度，除保留原有調制度測量輪廓術具有的垂直測量優點外，還具有三維信息實時采集的特點。2.本發明將兩個有一定間距且正交的正弦光柵同時投影在被測物體上，并使被測物體位于兩個光柵投影像面之間，CCD相機通過一個半透半反鏡從同一個方向獲取受到正交光柵調制的物體表面圖像。采用傅里葉變換、空間頻域濾波和逆傅里葉變換，將正交光柵圖像分離，而得到兩個光柵像在物體表面的調制度分布，該調制度分布曲線具有X交叉的性質，利用其比值和高度的對應關系可以重建物體三維面形。3.本發明如果采用圖像處理硬件實現傅里葉變換、空間濾波和逆傅里葉變換，將可實現實時的三維重建，在實時動態三維測量以及實時三維視頻技術方面具有良好的應用前景。


圖1本發明快速調制度測量輪廓術原理圖。圖2本發明情況下實測的兩個光柵像的調制度曲線圖。圖3本發明情況下實測的兩個光柵像的調制度比值曲線圖。圖4本發明情況下實測的兩個光柵像的條紋灰度圖。圖5本發明情況下實測的條紋灰度圖的頻譜分布圖。圖6本發明測量系統的裝置示意圖。圖7本發明情況下獲取的被測物體表面的條紋灰度圖。圖8本發明情況下獲取的被測物體表面的調制度比值圖。圖9本發明情況下恢復得到的物體三維面形圖。圖10本發明情況下恢復得到的物體剖面圖。
具體實施例方式下面結合附圖、工作原理及實施例對本發明做進一步詳細說明。本發明的原理圖如圖1所示，1是投影光源，2是豎直光柵，3是水平光柵， 4是投影透鏡，5是豎直光柵的投影像面，6是被測物體，7是水平光柵的投影像面， 8是參考平面。在幾何光學近似下，將一個正弦光柵放在投影透鏡物平面的位置，考慮理想成像情況，經投影透鏡成像后在像平面上得到的仍然是一個正弦光柵，本發明中是采用兩個光柵，由于投影光源是非相干光源，并且兩光柵相隔一定距離，因此可近似認為兩個光柵分別成像，互不干擾。以豎直光柵為例，假設系統橫向放大率為 M，物體表面反射率為ifejr),則光柵像平面上的光強分布可以表示為
Z/fev) =+C0(XiV)Cos [2π/Λ 1 Φ0(^3；)]}①
其中為背景光強，C0I^3O為光柵投影像面上的條紋對比度，名是像平面的光柵頻率。根據成像理論，光柵投影像面前后的模糊像/乂尾其甸可以由其聚焦像i/fe^F)和相應的系統模糊方程即系統的點擴散函數Afey)的卷積得到，即hi^^S) = h{jL,y)*If{jL,y}(2)符號*表示卷積，為距投影像面5位置處的光強分布。
在實際光學系統中，由于光學系統的衍射、色散和透鏡的畸變等因素，通常采用二維高斯函數表示系統的模糊方程樹^0 ,即lWA(^jr) = -W(3)式中1^II是擴散常數，相應于點擴散函數的標準偏差，與模糊斑半徑成正比即=C的值依賴于光學系統參數，在大多數實際情況下，可以近似取/i。
由⑵(3)兩式可以得到投影像面前后的光強分布為/rffeK^) = ^^2^1^ + cO(IJr)^ 2^ ‘ OJS[InfiXi Ijr)]j那么光柵投影像面前后的條紋調制度分布⑷(5)JiofcJ^是投影像面上的調制度分布，由于點擴散常數^^與模糊斑半徑『成正比，而 r與離焦量5成正比，因此(5)式可以改寫為M(Xr J^ 5) = Ji(X^y)Af0Cxjy)^ Z〔(6)式中rf是待測點到參考平面的距離，為是光柵投影像面到參考平面的距離，e是由系統決定的常數。
(6)式表明，條紋的調制度由待測點到參考平面的距離和物體表面的反射率決定， 由于不同物體表面的反射率不同，并且同一物體的不同位置反射率也常常有差異，因此要想通過調制度計算待測點的位置，必須排除物體表面反射率的干擾。本發明提出了利用兩個方向的光柵條紋的調制度相比的方法來去掉物體表面反射率的影響。
根據(6)式，橫豎光柵的像在物體表面的調制度分布可以分別表示為(7) (8)兩式相比取對數化簡可得ln ^x jf! = flOrf2 + aId+aI(9)Af3(XJ)CU:111 0 = 3 2 - Jf) , ^= ^di-f^ 和 A = ^dI -純均為常數。由于被測物體處于兩個光柵投影像面之間，因此每條調制度曲線只取了一半，并且取單調的部分，形成X交叉，因此其比值也是單調的。圖2和圖3是實測的調制度和調制度比值經曲線擬合得到的結果，不難看出，調制度比值與物體高度之間存在一一對應關系。所以，只要預先標定出調制度比值與兩光柵投影像面之間距離的對應關系，就可以恢復出放置在標定區域的物體的高度信息。為得到兩組條紋的調制度分布，考慮將兩個正弦光柵同時投影到被測物體表面， 物體表面的條紋強度分布可表示為
權利要求
1.一種用兩個正交正弦光柵實現快速調制度測量輪廓術的方法，其特征在于，將兩個有一定間距的正交正弦光柵同時投影在被測物體上，并使被測物體位于兩個光柵投影像面之間，CCD相機通過一個半透半反鏡從同一個方向獲取受到正交光柵調制的物體表面圖像， 采用傅里葉變換、空間頻域濾波和逆傅里葉變換，將正交光柵圖像分離，而得到兩個光柵像在物體表面的調制度分布，該調制度分布曲線具有X交叉的性質，利用其比值和高度的對應關系可以重建物體三維面形。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，只需采集一幅圖象，即可恢復出物體高度， 除保留調制度測量輪廓術具有的垂直測量優點外，還具有三維信息實時采集的特點。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，如果采用圖像處理硬件實現傅里葉變換、空間濾波和逆傅里葉變換，該方法可以實現實時的三維重建，在實時動態三維測量以及實時三維視頻技術方面具有良好的應用前景。
全文摘要
本發明是光學三維傳感技術中利用相隔一定間距的兩個正交正弦光柵實現快速調制度測量輪廓術的方法。將兩個相隔一定間距且正交的正弦光柵同時成像在被測物體上，并使被測物體位于兩個光柵成像面之間，CCD相機通過一個半透半反鏡從同一個方向獲取受到正交光柵調制的物體表面圖像。采用傅里葉變換、空間頻域濾波和逆傅里葉變換，將正交光柵圖像分離，從而得到兩個光柵像在物體表面的調制度分布，利用事先標定得到的調制度比值和高度的對應關系恢復出物體高度。該方法中，光柵投影方向和CCD相機成像方向同軸，具有垂直測量的特點。該方法只需采集一幅圖像，即可恢復出物體高度，具有三維信息實時采集的特點。
文檔編號G01B11/25GK102519393SQ20111036126
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者劉元坤, 向立群, 張啟燦, 曹益平, 竇蘊甫, 蘇顯渝, 陳文靜 申請人:四川大學