專利名稱：一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法及裝置，屬于光學(xué)(三維)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)投影式輪廓測量技術(shù)可以分為兩大類直接三角法和相位測量法。直接三角法包括激光逐點(diǎn)掃描法、雙目立體視覺法、結(jié)構(gòu)光法(也稱光切法)等。相位測量法以測量投影到物體上的柵像的相位為基礎(chǔ)，有莫爾法、移相法、傅氏變換法等等。
雙目立體視覺法從不同角度獲取同一場景的兩幅圖像，如同人的雙眼觀察景物一樣。計(jì)算機(jī)通過對同一物點(diǎn)在兩幅圖像上兩個(gè)像點(diǎn)的檢測和匹配，得到物體該點(diǎn)的深度信息。雙目視覺成像的原理簡單，但由于要在左右圖像中匹配出對應(yīng)的點(diǎn)，實(shí)際的計(jì)算過程很復(fù)雜，立體匹配問題始終是雙目視覺測量的一個(gè)主要難點(diǎn)。國內(nèi)外眾多學(xué)者對匹配進(jìn)行了研究，提出了很多的匹配算法，例如利用外極線約束、相容性約束、唯一性約束形狀連續(xù)性約束等條件來縮小匹配范圍，以及廣泛影響的MPG算法和多通道結(jié)構(gòu)算法。KanadeT.等提出了基于自適應(yīng)地選擇模板窗口形狀、大小的迭代匹配算法，此外還有基于金字塔圖像結(jié)構(gòu)的匹配算法、基于小波變換的多尺度匹配等。
結(jié)構(gòu)光方法的基本思想就是利用照明中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息。對于平坦的、無明顯灰度、紋理和形狀變化的表面區(qū)域，用結(jié)構(gòu)光可形成明顯的光條紋，方便圖像的分析和處理。結(jié)構(gòu)光方法計(jì)算簡單、測量精度較高，在實(shí)際視覺測量系統(tǒng)中被廣泛使用。結(jié)構(gòu)光方法的測量過程主要包括兩個(gè)步驟先由投影光源根據(jù)測量需要向物體表面投射可控制的激光以形成特征點(diǎn)，并取得表面圖像。然后按物體表面投射光圖案的幾何形態(tài)特征解釋投影模式，利用三角法測量原理可求得特征點(diǎn)與攝像機(jī)鏡頭主點(diǎn)之間的距離，即特征點(diǎn)的深度信息。再標(biāo)定出光源和攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系中的空間方向、位置參數(shù)后，即可求得特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。
相位測量法采用正弦調(diào)制過的光強(qiáng)圖像投影在物體上，圖像投射到物體上后隨著物體高度的變化而發(fā)生變形，變形后的光圖像形成了二維的條紋圖，它包含了物體的三維信息。變形的光強(qiáng)表示形式為Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]，根據(jù)多次的結(jié)果數(shù)據(jù)，應(yīng)用正弦調(diào)制的自相關(guān)性解出(x，y)，然后計(jì)算得到h(x，y)，經(jīng)過解包絡(luò)得到實(shí)際物體的三維形狀。自相關(guān)性能夠排除高頻燥聲的干擾，所以相移法精度很高，但是解包絡(luò)過程對于階躍變化存在不確定解的情況。
綜上所述，目前已有技術(shù)由于采用專有投影裝置，三維掃描方式局限于單一技術(shù)，精度指標(biāo)在個(gè)別方面存在著難以逾越的壁壘。雙目法匹配問題很復(fù)雜，導(dǎo)致誤差難以控制。結(jié)構(gòu)光法的條紋距離不能無限小，精度受到限制。相位法由于計(jì)算過程中存在反正切變換，得到一組解，在物體表面連續(xù)性約束下能夠找到唯一合適解，但這限制了待測物體表面相鄰點(diǎn)深度的階躍變化的范圍，產(chǎn)品的適用性受到限制較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法及裝置，通過液晶投影儀投射不同波長的正弦調(diào)制過的光到物體表面，通過攝像機(jī)獲得帶有投影光信息的二維圖像數(shù)據(jù)，再根據(jù)投影圖像像素信息還原出物體的深度信息。
本發(fā)明提出的采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法，包括以下步驟(1)投影儀產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p1為正弦調(diào)制的波長，m，n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2);]]>(2)將上述白光照射到待測物體上，上述光場被待測物體調(diào)制，照相機(jī)拍攝得到的圖像上各像素點(diǎn)的亮度值為Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]，其中x，y為上述拍攝得到的圖像中各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，a(x，y)為圖像上環(huán)境的背景光強(qiáng)，b(x，y)為被測物體表面的光學(xué)特征值，(x，y)為被測物體對照明光場調(diào)制后產(chǎn)生的相位差，δi為相移量，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行；(3)使用自相關(guān)法計(jì)算上述圖像上各像素點(diǎn)的相位差為Δ1(x，y)＝(xA，y)-(xC，y)，其中xC為上述圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制前的相位等效點(diǎn)的坐標(biāo)，xA為上述圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制后的相位等效點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)以p2為正弦調(diào)制的波長，重復(fù)步驟(1)(2)(3)，得到Δ2(x，y)，(5)對上述兩次正弦調(diào)制的波長進(jìn)行組合，得到組合波長為p=p1p2p1-p2,]]>則組合后上述圖像上各像素點(diǎn)的相位差為Δ(x，y)＝Δ2(x，y)-Δ1(x，y)；(6)根據(jù)上述計(jì)算得到的組合后的相位差，計(jì)算各像素點(diǎn)的深度 其中L為投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離，d為投影儀與照相機(jī)之間的距離，p為正弦調(diào)制的波長；(7)根據(jù)設(shè)定的物體表面的連續(xù)性約束條件，對上述各像素點(diǎn)的深度z進(jìn)行解包絡(luò)，得到物體實(shí)際三維形狀。
本發(fā)明提出的采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的裝置，包括(1)投影儀，用于產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p1為正弦調(diào)制的波長，m、n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2),]]>與計(jì)算機(jī)相連接；(2)照相機(jī)，用于拍攝在上述白光的照明光場中待測物體的圖像，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行，投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離為L，投影儀與照相機(jī)之間的距離為d，與計(jì)算機(jī)相連接；(3)計(jì)算機(jī)，用于控制投影儀產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的白光，并接收照相機(jī)拍攝的圖像后進(jìn)行處理。
本發(fā)明提出的采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法及其裝置，具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明方法中對相位差的計(jì)算很容易濾除環(huán)境光等不利因素對測量結(jié)果的影響，因此算法穩(wěn)定性好。
2、本發(fā)明方法對待測物體的表面階躍情況的正確還原能力很強(qiáng)，因此可以測量表面形狀更加復(fù)雜的物體。
3、使用本發(fā)明的方法和裝置，可以清晰再現(xiàn)待測物體的三維形狀，測量精度高于已有技術(shù)。


圖1是本發(fā)明方法的原理示意圖。
圖2是本發(fā)明方法中的光路示意圖。
圖3是本發(fā)明方法中解包絡(luò)示意圖。
圖4是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1～圖4中，1是投影儀，2是照相機(jī)，3是待測物體，3a是待測物體表面上的觀測點(diǎn)，4是參考平面，5是光路所在的等y面，6是觀測點(diǎn)3a在參考平面4上經(jīng)待測物體調(diào)制前的相位等效點(diǎn)，7是觀測點(diǎn)3a到參考平面4的垂足，8是觀測點(diǎn)3a在參考平面4上經(jīng)待測物體調(diào)制后的相位等效點(diǎn)，9是計(jì)算機(jī)，10是投影儀到計(jì)算機(jī)的連接線，11是照相機(jī)到計(jì)算機(jī)的連接線。圖2中的d是投影儀與照相機(jī)的出入瞳之間的距離，1是投影儀和照相機(jī)的出入瞳到參考平面的距離。圖3中，A是待測物體表面形狀，B是移相法求出的主值相差計(jì)算的表面形狀，C是另一個(gè)表面有階躍情況的物體，D是物體C經(jīng)移相法得到的表面形狀。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法，首先投影儀產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p1為正弦調(diào)制的波長，m，n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2);]]>將白光照射到待測物體上，光場被待測物體調(diào)制，照相機(jī)拍攝得到的圖像上各像素點(diǎn)的亮度值為
Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]，其中x，y為上述拍攝得到的圖像中各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，a(x，y)為圖像上環(huán)境的背景光強(qiáng)，b(x，y)為被測物體表面的光學(xué)特征值，(x，y)為被測物體對照明光場調(diào)制后產(chǎn)生的相位差，δi為相移量，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行；使用自相關(guān)法計(jì)算圖像上各像素點(diǎn)的相位差Δ1(x，y)＝(xA，y)-(xC，y)，其中xC為圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制前的等效點(diǎn)的坐標(biāo)，xA為圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制后的等效點(diǎn)的坐標(biāo)；以p2為正弦調(diào)制的波長，重復(fù)上述過程，得到Δ2(x，y)；對兩次正弦調(diào)制的波長進(jìn)行組合，得到組合波長為p=p1p2p1-p2,]]>則組合后圖像上各像素點(diǎn)的相位差為Δ(x，y)＝Δ2(x，y)-Δ1(x，y)；根據(jù)計(jì)算得到的組合后的相位差，計(jì)算各像素點(diǎn)的深度 其中L為投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離，d為投影儀與照相機(jī)之間的距離，p為正弦調(diào)制的波長；根據(jù)設(shè)定的物體表面的連續(xù)性約束條件，對各像素點(diǎn)的深度z進(jìn)行解包絡(luò)，得到物體實(shí)際三維形狀。
本發(fā)明提出的采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括投影儀1，用于產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p為正弦調(diào)制的波長，m、n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2);]]>照相機(jī)2，用于拍攝在白光的照明光場中待測物體的圖像，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行，投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離為1，投影儀與照相機(jī)之間的距離為d；計(jì)算機(jī)3，用于控制投影儀產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的白光，并接收照相機(jī)拍攝的圖像后進(jìn)行處理。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所用的投影儀的型號為PB2245，由BenQ公司生產(chǎn)，所用的照相機(jī)的型號為DH-HV系列彩色數(shù)字輸出攝像機(jī)，由大恒公司生產(chǎn)，所用的計(jì)算機(jī)為P4兼容機(jī)。
以下詳細(xì)介紹本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例。
首先，如圖1所示，投影儀1投射正弦調(diào)制過亮度的白光。這個(gè)照明光場的亮度值如下式，是已知的，由計(jì)算機(jī)控制投影儀輸出。Iouti(x,y,δi)=cos[xp×2π+δi],]]>從式中可以看出，光強(qiáng)值與y無關(guān)，y方向上等亮。p為波長，δi為相移量，δi∈(-π2,π2).]]>照明光到達(dá)物體上后，光場被調(diào)制，經(jīng)相機(jī)拍攝后的圖像，亮度值如下式Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]
連續(xù)移相掃描，多次拍攝，每一幀相移2π/N，共采集N幀。用I1，I2，I3......IN表示對同一點(diǎn)的N幀亮度值，則根據(jù)自相關(guān)法可從N個(gè)相移觀察圖像中計(jì)算出 應(yīng)用自相關(guān)法能極大地消除Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]式中a(x，y)和b(x，y)對于測量的不利影響，提取出的相位差能有很高的精度。得到Δ(x，y)后，則可以求出觀測點(diǎn)3a至參考平面4的距離也就是該點(diǎn)深度信息，如圖2所示，對于物體表面的點(diǎn)3a來說，當(dāng)參考平面沒有放置物體的時(shí)候，則圖像上的同一點(diǎn)為點(diǎn)6，則點(diǎn)6的相位為圖像上該點(diǎn)經(jīng)被測物體調(diào)制前的相位，而放置了物體以后，點(diǎn)3a的相位發(fā)生變化，產(chǎn)生了相移，點(diǎn)3a變化后的相位與參考面上點(diǎn)8的相位相同，故相位差有Δ(x，y)＝(x8，y)-(x6，y)，式中(x6，y)、(x8，y)分別為正弦調(diào)制的光場在點(diǎn)6、點(diǎn)8的相位，所以可得Δ(x，y)＝2π·|x68|/p，式中p為正弦調(diào)制的波長，x68為點(diǎn)6到點(diǎn)8的距離。由三角形相似關(guān)系可得出 式中Z3a7即為點(diǎn)3a到參考平面4的深度信息值。
在上面的求解過程中，相位差的解為解集合，如果取主值進(jìn)行后面的計(jì)算，則結(jié)果需要相位去包裹，如圖3所示，圖中A為待測物體實(shí)際表面形狀的一個(gè)截面，B為取主值后的相位差計(jì)算得到的表面形狀，可以看出深度信息的解固定在一個(gè)范圍內(nèi)，這樣就需要根據(jù)待測物體表面連續(xù)性質(zhì)的約束條件等來恢復(fù)。但對于表面發(fā)生階躍時(shí)，如果實(shí)際中相鄰兩點(diǎn)的深度差值超過取值范圍的上限，如圖3中C所示，那么解包絡(luò)前計(jì)算的深度信息如D所示，則無法正確還原出如C的實(shí)際形狀。為了盡可能避免這種情況的出現(xiàn)，一個(gè)可行的方法是擴(kuò)大取值范圍，使實(shí)際階躍處于范圍之內(nèi)即可。但取值范圍的大小和波長有關(guān)，p越大，取值范圍越大，但p越大，照明光場越均勻，不利于誤差控制，這也是單純擴(kuò)大波長造成的弊端。本發(fā)明提出雙波長方法，使用兩次波長相近的照明光場來得到兩套移相法數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的重組，增大取值范圍的前提下并不影響光場的質(zhì)量。
由Δ(x，y)＝2π·|x68|/p得到2π·|x68|＝Δ(x，y)·p雙波長可得2π·|x68|＝Δ1(x，y)·p1
2π·|x68|＝Δ2(x，y)·p2兩式綜合有 于是可以記作Δ(x，y)＝Δ2(x，y)-Δ1(x，y)p=p1p2p1-p2]]>即2π·|x68|＝Δ(x，y)·p此時(shí)，如果p1，p2很接近，則組合的波長p就很大，使用組合的參數(shù)計(jì)算深度信息。則對于求解 深度的取值范圍變大了，而照明光場仍然是小波長正弦調(diào)制，不存在光場均勻的問題，很好的解決了相鄰點(diǎn)的深度信息階躍超過范圍無法還原的問題。經(jīng)過解包絡(luò)后即可取得物體的實(shí)際三維形狀數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)投影儀產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p1為正弦調(diào)制的波長，m，n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2);]]>(2)將上述白光照射到待測物體上，上述光場被待測物體調(diào)制，照相機(jī)拍攝得到的圖像上各像素點(diǎn)的亮度值為Ii(x，y，δi)＝a(x，y)+b(x，y)cos[(x，y)+δi]，其中x，y為上述拍攝得到的圖像中各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，a(x，y)為圖像上環(huán)境的背景光強(qiáng)，b(x，y)為被測物體表面的光學(xué)特征值，(x，y)為被測物體對照明光場調(diào)制后產(chǎn)生的相位差，δi為相移量，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行；(3)使用自相關(guān)法計(jì)算上述圖像上各像素點(diǎn)的相位差Δ1(x，y)＝(xA，y)-(xC，y)，其中xC為上述圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制前的等效點(diǎn)的坐標(biāo)，xA為上述圖像上各像素點(diǎn)在參考平面上經(jīng)被測物體調(diào)制后的等效點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)以p2為正弦調(diào)制的波長，重復(fù)步驟(1)(2)(3)，得到Δ2(x，y)，(5)對上述兩次正弦調(diào)制的波長進(jìn)行組合，得到組合波長為p=p1p2p1-p2,]]>則組合后上述圖像上各像素點(diǎn)的相位差為Δ(x，y)＝Δ2(x，y)-Δ1(x，y)；(6)根據(jù)上述計(jì)算得到的組合后的相位差，計(jì)算各像素點(diǎn)的深度 其中L為投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離，d為投影儀與照相機(jī)之間的距離，p為正弦調(diào)制的波長；(7)根據(jù)設(shè)定的物體表面的連續(xù)性約束條件，對上述各像素點(diǎn)的深度z進(jìn)行解包絡(luò)，得到物體實(shí)際三維形狀。
2.一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的裝置，其特征在于該裝置包括(1)投影儀，用于產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，該白光的亮度值為Iouti(m,n,δi)=cos[mp×2π+δi],]]>p1為正弦調(diào)制的波長，m、n為光場在參考平面上的坐標(biāo)，δi為相移量，δi∈(-π2,π2),]]>與計(jì)算機(jī)相連接；(2)照相機(jī)，用于拍攝在上述白光的照明光場中待測物體的圖像，照相機(jī)與投影儀的連線與所述的參考平面平行，投影儀和照相機(jī)與參考平面之間的距離為L，投影儀與照相機(jī)之間的距離為d，與計(jì)算機(jī)相連接；(3)計(jì)算機(jī)，用于控制投影儀產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的白光，并接收照相機(jī)拍攝的圖像后進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用雙波長結(jié)構(gòu)光測量物體輪廓的方法及裝置，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。首先投影儀產(chǎn)生一束經(jīng)正弦調(diào)制后的白光，將白光照射到待測物體上，光場被待測物體調(diào)制，照相機(jī)拍攝得到圖像，使用自相關(guān)法計(jì)算上述圖像上各像素點(diǎn)的相位差，以另一波長進(jìn)行正弦調(diào)制，重復(fù)上述過程得到相位差，對兩次正弦調(diào)制的波長進(jìn)行組合，得到組合波長和組合相位差，然后計(jì)算各像素點(diǎn)的深度，根據(jù)設(shè)定的物體表面的連續(xù)性約束條件，對各像素點(diǎn)的深度進(jìn)行解包絡(luò)，得到物體實(shí)際三維形狀。本發(fā)明的裝置包括投影儀、照相機(jī)和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的方法和裝置，算法穩(wěn)定性好，可以測量表面形狀更加復(fù)雜的物體，測量精度高于已有技術(shù)。
文檔編號G01B21/20GK1786658SQ20051013288
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者辛建波, 高宏 申請人:清華紫光股份有限公司