專利名稱：基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輪廓測量的方法，尤其涉及一種基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影
三維輪廓測量的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代測量中，物體三維輪廓的測量有著重要的意義。隨著物體三維輪廓的非接觸檢測技術(shù)在自動控制、在線檢測、逆求工程、復(fù)雜物體三維建模、醫(yī)學(xué)診斷、工程設(shè)計(jì)、刑事偵查現(xiàn)場痕跡分析、機(jī)器人及許多生產(chǎn)過程中越來越廣泛的應(yīng)用。人們對三維輪廓測量的要求也越來越高，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。如汽車車身、船用螺旋槳葉和飛機(jī)發(fā)動機(jī)過渡段的形狀檢測等。當(dāng)前，物體三維輪廓測量技術(shù)是信息技術(shù)的研究熱點(diǎn)。其中，光柵投影法和傅里葉變換輪廓術(shù)由于易于實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理易于自動化，具有較快的速度和較高的測量精度，成為三維輪廓測量的理想方法，在三維輪廓測量中有著重要的意義。但是前期的研究表明，它具有如下的局限性。第一當(dāng)測量物體存在突變時，單一頻率的光柵投影，由于突變處條紋重疊或物體表面陰影導(dǎo)致的條紋圖樣的不連續(xù)性，將導(dǎo)致疊相還原過程無法準(zhǔn)確進(jìn)行。第二由于視場的原因，不能測量大面積的物體，特別是大型工件的曲面檢測一直是生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。第三傅里葉變換輪廓術(shù)中，難以實(shí)現(xiàn)全自動的濾波，濾出需要的頻率分量必須經(jīng)過不斷試錯才能得到最準(zhǔn)確的濾波器參數(shù)， 一般采用人機(jī)交互的方式，限制了該方法的實(shí)用化。第四目前的光柵投影法一般采用計(jì)算機(jī)生成電子光柵，通過投影儀進(jìn)行投影。投影系統(tǒng)一般比較大，不便于攜帶，也不便于改變投影方向。而且采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，速度不夠快。
為了解決以上問題，同時采用雙頻光柵投影和傅里葉變換方法，進(jìn)行物體三維輪廓測量的研究。研究雙頻光柵傅里葉輪廓術(shù)的理論模型；研究改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型。并對具體的臺階狀的物體進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。在理論上豐富和建立雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型，在應(yīng)用上成功解決有突變面形和投影時具有陰影的物體的三維輪廓測量問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，該方法通過軟件編程來產(chǎn)生雙頻光柵，因此能夠非常靈活地生成各種不同靈敏度的雙頻光柵，以滿足不同臺階狀面形的要求。 本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，其特征是通過軟件編程將兩種不同頻率的正弦電子光柵合成為雙頻光柵，通過光學(xué)投影系統(tǒng)將雙頻光柵投影到物體表面上，在物體的表面生成了變形光柵，將變形光柵成像在攝像機(jī)上，由于投影光路是斜向的，物體的表面存在部分光照不到的區(qū)域而出現(xiàn)陰影，為了消除陰影，將放在旋轉(zhuǎn)平臺上的物體旋轉(zhuǎn)180度再成一張像，然后將拍的兩副圖像通過圖像拼接技術(shù)拼接起來，得到一副沒有陰影的照片，利用角點(diǎn)檢測技術(shù)找特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)并結(jié)合Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法得到圖像變換矩陣，并利用雙線性插值算法進(jìn)行坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)圖像拼接，對拼接后的圖像采用雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)進(jìn)行信息處理，以計(jì)算機(jī)作為信息處理中心，對圖像進(jìn)行傅里葉變換后，在頻域中這兩個頻率成分相分離，提取相應(yīng)的成分，就可以獲得兩種不同靈敏度的測試結(jié)果，由粗光柵測量出物體非連續(xù)的突變部分的大致輪廓，由精細(xì)光柵得到物體突變前后各部分的精確輪廓，將兩者結(jié)果合成得到含有突變面形物體的精確形貌。
本發(fā)明所述的雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)，其特征是截?cái)嘞辔粸?Jifx+小(X， y)，傅里葉逆變換后的相位范圍在-n n之間，得到的是截?cái)嘞辔唬辔唤獍譃閮刹绞紫葘Φ谝粋€原因進(jìn)行解包裹，再對第二個原因進(jìn)行解包裹。然后求相位差，再利用高度和相位差的關(guān)系得到物體的高度，從而得到物體的三維輪廓。
本發(fā)明所述的雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)可由改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)代替。 本發(fā)明所述的改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)，其特征是在對信號進(jìn)行傅里葉變換之后，不對頻譜部分頻移，直接濾出需要的高、低頻部分，再分別進(jìn)行傅里葉逆變換，求出物體表面相位后，再與基準(zhǔn)面的相位相減，就可以得到與高度有關(guān)的相位差，該方法對于對頻域而言，相當(dāng)于對不在原點(diǎn)的頻譜直接逆變換，根據(jù)頻移定理，
/(*'2*' <^""fUXw' w。)，収對數(shù)，再取虛部后，相位2nfx+4)(x， y)，同樣也可求得基準(zhǔn)面的相位為2 Ji fx+小。(x， y)，兩者相減就將2 Ji fx消掉了 。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型及算法實(shí)現(xiàn)。易于實(shí)用化，速度快，測量精度高；2、改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型及算法實(shí)現(xiàn)，減少了計(jì)算量，速度快，提高了濾波的精度；3、通過旋轉(zhuǎn)圖像拼接，可以測量臺階狀有陰影的物體的三維輪廓測量問題，并且具有較高的測量速度和測量精度。


圖1為本發(fā)明的一截面傅里葉變換后的頻譜圖。圖2為本發(fā)明的高頻譜經(jīng)傅里葉逆變換后的截?cái)嘞辔粓D。圖3為本發(fā)明的低頻譜經(jīng)傅里葉逆變換后的截?cái)嘞辔粓D。圖4為本發(fā)明的高頻截?cái)嘞辔唤獍鼒D。圖5為本發(fā)明的低頻截?cái)嘞辔唤獍鼒D。圖6為本發(fā)明的高頻基準(zhǔn)面相位圖。圖7為本發(fā)明的低頻基準(zhǔn)面相位圖。圖8為本發(fā)明的高頻截?cái)嘞辔徊钪祱D。圖9為本發(fā)明的低頻相位差值圖。圖10為本發(fā)明的通過低頻輔助還原出的高頻相位差值圖。圖11為本發(fā)明的一截面的還原圖。
具體實(shí)施例方式
z屈> z本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的Z = V~ = f (-股/2<) = W
4
其中cj)BD =小d是物體表面上D點(diǎn)與基準(zhǔn)面B點(diǎn)的相位差，
A —
'是與
光路結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)包括兩個部分
1圖像拼接部分 采用圖像的區(qū)域的黑白對比度定義，確定拼接圖像的共同的中間部分。然后利用角點(diǎn)檢測技術(shù)在共同的中間部分中確定8個對應(yīng)的角點(diǎn)，利用圖像間的變換關(guān)系和Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法得到兩圖像間的變換矩陣，利用雙線性插值算法進(jìn)行坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)圖像拼接。區(qū)域的黑白對比度是以圖像P第i行為中心線，上下各取寬度為k行的區(qū)域a和區(qū)域b，根據(jù)上式，第i行區(qū)域的黑白對比度可以用公式l定義
(1) 式中Di表示圖像P第i行的區(qū)域黑白對比度，4tm表示圖像P第(i-t， m)個象素點(diǎn)的灰度值，c^m表示圖像P第(i+t， m)個象素點(diǎn)的灰度值，L為圖像P的列寬。
2采用改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)進(jìn)行信息處理過程 得到完整的光柵條紋圖像后，對圖像進(jìn)行信息處理。這里采用了傅里葉變換輪廓術(shù)，對任意一個橫截面進(jìn)行853點(diǎn)傅里葉變換，所得頻譜如圖1所示。圖1中，橫軸表示傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)，和圖像的列數(shù)相等；縱軸表示傅里葉變換的頻譜幅度。設(shè)計(jì)濾波器把頻譜中的低頻、高頻部分濾出，分別進(jìn)行853點(diǎn)傅里葉逆變換，高頻部分經(jīng)過傅里葉逆變換后得到的截?cái)嘞辔蝗鐖D2所示，低頻部分經(jīng)過傅里葉逆變換后得到的截?cái)嘞辔蝗鐖D3所示。從圖2和圖3可以看出得到的相位在-Ji Ji之間，對其解包裹分別得到如圖4和圖5所示的相位。其中低頻部分由于在突變處只有一個周期，故圖5的相位就是真實(shí)相位，而高頻部分由于在突變處有可能有多個周期的存在，還需要進(jìn)一步解包裹。高、低頻基準(zhǔn)面的相位分別如圖6和圖7所示(本實(shí)驗(yàn)采用物體最低的臺階所在平面作為基準(zhǔn)面)，然后分別用高、低頻的真實(shí)相位減去對應(yīng)的基準(zhǔn)面的相位，便可得到它們表面與基準(zhǔn)面的相位差如圖8和圖9所示。由于高頻光柵在物體突變位置有多個周期，故現(xiàn)在所求的只是高頻光柵在突變位置的截?cái)嘞辔徊睿€要根據(jù)式
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，利用低頻光柵的相位差輔助解出高頻光
柵的真實(shí)相位差，可得到物體的截面相位如圖10所示。由于對于完整的光柵條紋圖規(guī)定從左到右相位總是增加的，所以圖8，圖9，圖10的相位一直在增加。但是由于右邊部分是拼接而來的，右邊部分已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 180度的，所以它的相位應(yīng)該是減小的。所以在出現(xiàn)第三個相位跳變時應(yīng)該將后面的相位翻轉(zhuǎn)下來。然后再乘以高頻光柵的光路系數(shù)^=Z。/(X。2 Ji f2) = 1.15mm/rad，即得物體某一截面的真實(shí)形貌如圖11所示。圖11中橫軸表示圖像的列數(shù)，單位為象素；縱軸表示物體的高度，單位為mm。最后擴(kuò)展到三維即得物體真實(shí)形貌如圖11所示。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 按照式Z = kA小可以算得第一個臺階高度為^ = 16.10mm，第二個高度為h2=24.725mm。臺階高度的實(shí)際值第一個臺階高度的實(shí)際值為= 16.00mm，第二個
5高度h2 = 24.50mm。
誤差為0.10mm和0.225mm ;相對誤差為0.625%和0.918% 。 投影儀的相素大小約為7umX7um，光路系數(shù)為Z。 = 121.3cm， X。 = 43.8cm， f2為3.846/
權(quán)利要求
一種基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，其特征是通過軟件編程將兩種不同頻率的正弦電子光柵合成為雙頻光柵，通過光學(xué)投影系統(tǒng)將雙頻光柵投影到物體表面上，在物體的表面生成了變形光柵，將變形光柵成像在攝像機(jī)上，由于投影光路是斜向的，物體的表面存在部分光照不到的區(qū)域而出現(xiàn)陰影，為了消除陰影，將放在旋轉(zhuǎn)平臺上的物體旋轉(zhuǎn)180度再成一張像，然后將拍的兩副圖像通過圖像拼接技術(shù)拼接起來，得到一副沒有陰影的照片，利用角點(diǎn)檢測技術(shù)找特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)并結(jié)合Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法得到圖像變換矩陣，并利用雙線性插值算法進(jìn)行坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)圖像拼接，對拼接后的圖像采用雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)進(jìn)行信息處理，以計(jì)算機(jī)作為信息處理中心，對圖像進(jìn)行傅里葉變換后，在頻域中這兩個頻率成分相分離，提取相應(yīng)的成分，就可以獲得兩種不同靈敏度的測試結(jié)果，由粗光柵測量出物體非連續(xù)的突變部分的大致輪廓，由精細(xì)光柵得到物體突變前后各部分的精確輪廓，將兩者結(jié)果合成得到含有突變面形物體的精確形貌。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，其特征 是所述的雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)，截?cái)嘞辔粸?Jifx+小(x， y)，傅里葉逆變換后的 相位范圍在-n n之間，得到的是截?cái)嘞辔?，相位解包裹分為兩步首先對第一個原 因進(jìn)行解包裹，再對第二個原因進(jìn)行解包裹。然后求相位差，再利用高度和相位差的關(guān) 系得到物體的高度，從而得到物體的三維輪廓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，其特征 是所述的雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)可由改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)代替。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，其特征 是所述的改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)，在對信號進(jìn)行傅里葉變換之后，不對頻譜部分頻 移，直接濾出需要的高、低頻部分，再分別進(jìn)行傅里葉逆變換，求出物體表面相位后， 再與基準(zhǔn)面的相位相減，就可以得到與高度有關(guān)的相位差，該方法對于對頻域而言，相 當(dāng)于對不在原點(diǎn)的頻譜直接逆變換，根據(jù)頻移定理，/(*)^'2*<^,)〗，取對數(shù)，再取虛部后，相位2Jifx+小(x， y)，同樣也可求得基準(zhǔn)面的相位為2Jifx+(K(x， y)，兩 者相減就將2Jifx消掉了。
全文摘要
一種基于旋轉(zhuǎn)拼接的雙頻光柵投影三維輪廓測量的方法，其特征是通過軟件編程將兩種不同頻率的正弦電子光柵合成為雙頻光柵，通過光學(xué)投影系統(tǒng)將雙頻光柵投影到物體表面上，在物體的表面生成了變形光柵，將變形光柵成像在攝像機(jī)上，由于投影光路是斜向的，物體的表面存在部分光照不到的區(qū)域而出現(xiàn)陰影，為了消除陰影，將放在旋轉(zhuǎn)平臺上的物體旋轉(zhuǎn)180度再成一張像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、雙頻光柵傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型及算法實(shí)現(xiàn)。易于實(shí)用化，速度快，測量精度高；2、改進(jìn)型的傅里葉變換輪廓術(shù)的理論模型及算法實(shí)現(xiàn)，減少了計(jì)算量，速度快，提高了濾波的精度；3、通過旋轉(zhuǎn)圖像拼接，并且具有較高的測量速度和測量精度。
文檔編號G01B11/24GK101691997SQ20091011589
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者伏燕軍, 何興道, 柴明鋼, 鄒文棟 申請人:南昌航空大學(xué)