一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法

摘要

本发明公开了一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，由脉冲条纹的编码、脉冲条纹的离焦、及三维重建三大关键部分组成。从电脑中生成脉冲条纹，经过投影仪进行适度离焦，在参考面上生成正弦条纹，进行三维测量。本发明的优点是：（1）由于脉冲条纹是二值条纹，其灰度值只有两个值（0和1），故测量速度快。（2）由于投影仪只需轻微离焦，就能消除投影仪的非线性gamma，故不需要复杂的非线性标定就能减小相位误差。（3）由于脉冲条纹被轻微离焦之后，条纹对比度降低较少，故克服测量深度的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域。尤其涉及一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法。

背景技术

随着科学技术的交叉式和多融合式发展，基于光学、电学、图像处理和计算机视觉的三维测量方法已成为更具有广阔应用前景的工业无损检测方法。该方法构成的结构光三维测量系统因高速、高精度、非接触、全场测量、快速信息获取等优点，已广泛应用于工业制造、文物保护、医疗等诸多领域，在工业生产和日常生活中发挥着重要作用。为满足生产生活的快速节奏，三维测量速度成为衡量测量系统的重要指标；同时，随着科技的迅猛发展，生产高级、精密、尖端的产品成为必然，对三维测量设备的测量精度提出更高要求。因此，人们对基于结构光的三维测量系统所获得的产品三维数据，不仅需要测量速度快，而且测量精度也要高。

然而，影响这两者的因素却有很多，包括条纹的特征（类型，强度，正弦性,周期性等）、电子设备的属性（设备质量，非线性效应等），相位解包裹方法等。在条纹类型方面，由于传统的正弦条纹，为8位的灰度图片，其灰度值分布在0-255之间，投影速度限制在120HZ之内，制约了测量速度；在电子设备属性方面，由于现如今的三维测量系统，都是由DLP投影带特征信息的条纹，因此，由电子设备的非线性gamma效应引起的高次谐波而导致的测量误差是一个不可避免的问题。本发明的脉冲宽度调制条纹，是二进制条纹，只有两个灰度值，其投影速度可以达到10KZH，大大提高测量速度；本发明的脉冲宽度调制条纹，只要轻微离焦，就能克服投影仪的gamma非线性，有效减少了相位误差，提高测量精度。本发明就是基于以上思路产生的。

本发明的三维测量系统如图1所示，包括DLP投影仪1、CCD2、工作站3、测量支架4、参考平面5和待测物体6；DLP投影仪1和CCD2放在测量支架4上；DLP投影仪1、CCD2分别通过数据线连接工作站3；待测物体6放在参考平面5上；工作站3内包含图像采集卡、投影软件、测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到被测物体6表面，由CCD2采集条纹信息，经过工作站3处理后提取出特征信息，并按照特定算法进行三维重建。DLP投影仪1光轴和CCD2光轴相交于O点。DLP投影仪1和CCD2为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为l₀。被测物体6的高度计算公式为：

（1）

其中为参考平面上生成的正弦条纹的频率，为物体表面图像和参考平面图像对应点的连续相位差。

发明内容

本发明提出了一种基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，由脉冲条纹的编码、脉冲条纹的离焦、及三维重建三大关键部分组成，其特征是：脉冲条纹编码原理：由电脑生成理想的一个周期正弦波，频率为f_s；同时，在同一周期内生成一组梯形波，频率记为f_t；将这两种波型进行判断比较，生成一个二值的脉冲宽度调制波；将一个周期的脉冲宽度调制波进行多周期复制；最后，将一维波转换为二维脉冲条纹图。

本发明所述一个周期内，正弦波和梯形波的频率比为：f_s:f_t=1:10。

本发明所述一个周期内的梯形波，其占空比即正脉冲与脉冲总周期之比为0.1。

本发明所述正弦波和梯形波两种波形比较时的取值方式，当正弦波小于梯形波时，取1；当正弦波大于梯形波时，取0。

本发明所述将一维脉冲宽度调制波转换为二维脉冲条纹图，是指一维脉冲波在编程上按行进行周期性复制。

本发明的优点：（1）由于脉冲条纹是二值条纹，其灰度值只有两个值（0和1），故测量速度快。（2）由于投影仪只需轻微离焦，就能消除投影仪的非线性gamma，故不需要复杂的非线性标定就能减小相位误差。（3）由于脉冲条纹被轻微离焦之后，条纹对比度降低较少，故克服测量深度的问题。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图。

图2为本发明的单周期脉冲波产生原理图。

图3为本发明的单周期脉冲条纹图。

图4为本发明的12个周期脉冲条纹图。

图5为本发明的12个周期脉冲条纹离焦图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

基于脉冲宽度调制条纹的三维测量方法，包括以下步骤：

（1）脉冲条纹的编码。

a.由电脑生成一个具有四步相移功能的理想正弦波：

(2)

其中，T为周期数，y为正弦波的像素，s为步长，m为相移步数(=1,2,3,4)。如图2(a)中红线所示，周期数为1、相移步数为1的相移正弦波，频率记为f_s。

b.在同一周期内生成一组梯形波，其一个梯形波中各段像素的分配如下：

(3)

其中，占空比z(正脉冲与脉冲总周期之比)设置为0.1，p为一个梯形周期总像素数。

将一个梯形波进行列复制，形成一组梯形波，频率记为ft（ft=10fs），其强度为：

(4)

如图2(a)中绿线所示。

c.将这两种波型按下式进行判断比较，生成一个二值的脉冲宽度调制波，其强度为：

（5）

如图2（b）中蓝线所示，为一个周期的脉冲宽度调制波。

d.将一个周期的脉冲宽度调制波按列方向进行多周期复制：

(6)

这里，n为自定义复制的列数。

e.最后，将一维波转换为二维脉冲条纹图：

(7)

这里，n为自定义复制的行数。

如图3，是一个周期的脉冲条纹。对于四步相移的脉冲条纹，只需将正弦波按上述方法相移，梯形波不需相移，即能生成所需的脉冲条纹。

（2）脉冲条纹的离焦。如图4，将13个周期的脉冲条纹经投影仪投射到参考面上，对脉冲条纹进行适度离焦，用CCD采集条纹并进行频率谱及正弦性分析，判断离焦恰当度。如图5，在脉冲条纹适当离焦后，进行被参考面和物体调制的变形条纹拍摄，并传送至计算机中。

（3）在计算机中进行三维重建。对参考面上的条纹而言，由脉冲条纹得到截断相位，由相位解包裹算法得到参考面连续相位；对物体上的变形条纹而言，由脉冲条纹得到截断相位，由相位解包裹算法得到物体连续相位；通过以下公式：

(8)

得到连续相位差，从而利用相位-高度公式：

(1)

最后得到物体表面每一点的高度信息。