一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)三維測(cè)量方法，屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種基于 脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的交叉式和多融合式發(fā)展，基于光學(xué)、電學(xué)、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué) 的三維測(cè)量方法已成為更具有廣闊應(yīng)用前景的工業(yè)無(wú)損檢測(cè)方法。該方法構(gòu)成的結(jié)構(gòu)光三 維測(cè)量系統(tǒng)因高速、高精度、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、快速信息獲取等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制 造、文物保護(hù)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著重要作用。為滿足生產(chǎn)生 活的快速節(jié)奏，三維測(cè)量速度成為衡量測(cè)量系統(tǒng)的重要指標(biāo)；同時(shí)，隨著科技的迅猛發(fā)展， 生產(chǎn)高級(jí)、精密、尖端的產(chǎn)品成為必然，對(duì)三維測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度提出更高要求。因此，人 們對(duì)基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量系統(tǒng)所獲得的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)，不僅需要測(cè)量速度快，而且測(cè)量 精度也要高。
[0003] 然而，影響這兩者的因素卻有很多，包括條紋的特征(類型，強(qiáng)度，正弦性，周期性 等)、電子設(shè)備的屬性(設(shè)備質(zhì)量，非線性效應(yīng)等)，相位解包裹方法等。在條紋類型方面，由 于傳統(tǒng)的正弦條紋，為8位的灰度圖片，其灰度值分布在0-255之間，投影速度限制在120HZ 之內(nèi)，制約了測(cè)量速度；在電子設(shè)備屬性方面，由于現(xiàn)如今的三維測(cè)量系統(tǒng)，都是由DLP投 影帶特征信息的條紋，因此，由電子設(shè)備的非線性ga_a效應(yīng)引起的高次諧波而導(dǎo)致的測(cè) 量誤差是一個(gè)不可避免的問(wèn)題。本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制條紋，是二進(jìn)制條紋，只有兩個(gè)灰度 值，其投影速度可以達(dá)到10KZH，大大提高測(cè)量速度；本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制條紋，只要輕 微離焦，就能克服投影儀的gamma非線性，有效減少了相位誤差，提高測(cè)量精度。本發(fā)明就 是基于以上思路產(chǎn)生的。
[0004] 本發(fā)明的三維測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括DLP投影儀I、（XD2、工作站3、測(cè)量支架 4、參考平面5和待測(cè)物體6 ;DLP投影儀1和CCD2放在測(cè)量支架4上；DLP投影儀1、CCD2 分別通過(guò)數(shù)據(jù)線連接工作站3 ;待測(cè)物體6放在參考平面5上；工作站3內(nèi)包含圖像采集卡、 投影軟件、測(cè)量軟件。DLP投影儀1將帶有特征信息的條紋聚焦投射到被測(cè)物體6表面，由 (XD2采集條紋信息，經(jīng)過(guò)工作站3處理后提取出特征信息，并按照特定算法進(jìn)行三維重建。 DLP投影儀1光軸和(XD2光軸相交于0點(diǎn)。DLP投影儀1和(XD2為同一高度，它們之間的 距離為4它們到參考平面的距離為Λ。被測(cè)物體6的高度計(jì)算公式為：
(1) 其中為參考平面上生成的正弦條紋的頻率，為物體表面圖像和參考平面圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的 連續(xù)相位差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，由脈沖條紋的編碼、 脈沖條紋的離焦、及三維重建三大關(guān)鍵部分組成，其特征是：脈沖條紋編碼原理：由電腦生 成理想的一個(gè)周期正弦波，頻率為fs;同時(shí)，在同一周期內(nèi)生成一組梯形波，頻率記為f t;將 這兩種波型進(jìn)行判斷比較，生成一個(gè)二值的脈沖寬度調(diào)制波；將一個(gè)周期的脈沖寬度調(diào)制 波進(jìn)行多周期復(fù)制；最后，將一維波轉(zhuǎn)換為二維脈沖條紋圖。
[0006] 本發(fā)明所述一個(gè)周期內(nèi)，正弦波和梯形波的頻率比為：fs:ft=l: 10。
[0007] 本發(fā)明所述一個(gè)周期內(nèi)的梯形波，其占空比即正脈沖與脈沖總周期之比為0. 1。
[0008] 本發(fā)明所述正弦波和梯形波兩種波形比較時(shí)的取值方式，當(dāng)正弦波小于梯形波 時(shí)，取1 ;當(dāng)正弦波大于梯形波時(shí)，取0。
[0009] 本發(fā)明所述將一維脈沖寬度調(diào)制波轉(zhuǎn)換為二維脈沖條紋圖，是指一維脈沖波在編 程上按行進(jìn)行周期性復(fù)制。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：（1)由于脈沖條紋是二值條紋，其灰度值只有兩個(gè)值（0和1)，故測(cè) 量速度快。（2)由于投影儀只需輕微離焦，就能消除投影儀的非線性gamma，故不需要復(fù)雜 的非線性標(biāo)定就能減小相位誤差。（3)由于脈沖條紋被輕微離焦之后，條紋對(duì)比度降低較 少，故克服測(cè)量深度的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的三維測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明的單周期脈沖波產(chǎn)生原理圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明的單周期脈沖條紋圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明的12個(gè)周期脈沖條紋圖。
[0015] 圖5為本發(fā)明的12個(gè)周期脈沖條紋離焦圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下結(jié)合【附圖說(shuō)明】對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限 制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017] 基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，包括以下步驟： (1)脈沖條紋的編碼。
[0018] a.由電腦生成一個(gè)具有四步相移功能的理想正弦波：
其中，T為周期數(shù)，y為正弦波的像素，s為步長(zhǎng)，m為相移步數(shù)（=1，2, 3, 4)。如圖2 (a) 中紅線所示，周期數(shù)為1、相移步數(shù)為1的相移正弦波，頻率記為fs。
[0019] b.在同一周期內(nèi)生成一組梯形波，其一個(gè)梯形波中各段像素的分配如下：
(3) 其中，占空比^ (正脈沖與脈沖總周期之比）設(shè)置為〇. 1，P為一個(gè)梯形周期總像素?cái)?shù)。
[0020] 將一個(gè)梯形波進(jìn)行列復(fù)制，形成一組梯形波，頻率記為ft (ft=10fs)，其強(qiáng)度為： CN 105157612 A VL 3/3 貝
(4) 如圖2(a)中綠線所示。
[0021] c.將這兩種波型按下式進(jìn)行判斷比較，生成一個(gè)二值的脈沖寬度調(diào)制波，其強(qiáng)度 為：
(5) 如圖2 (b)中藍(lán)線所示，為一個(gè)周期的脈沖寬度調(diào)制波。
[0022] d.將一個(gè)周期的脈沖寬度調(diào)制波按列方向進(jìn)行多周期復(fù)制：
(6) 這里，η為自定義復(fù)制的列數(shù)。
[0023] e.最后，將一維波轉(zhuǎn)換為二維脈沖條紋圖：
(7) 這里，η為自定義復(fù)制的行數(shù)。
[0024] 如圖3,是一個(gè)周期的脈沖條紋。對(duì)于四步相移的脈沖條紋，只需將正弦波按上述 方法相移，梯形波不需相移，即能生成所需的脈沖條紋。
[0025] (2)脈沖條紋的離焦。如圖4,將13個(gè)周期的脈沖條紋經(jīng)投影儀投射到參考面上， 對(duì)脈沖條紋進(jìn)行適度離焦，用CCD采集條紋并進(jìn)行頻率譜及正弦性分析，判斷離焦恰當(dāng)度。 如圖5,在脈沖條紋適當(dāng)離焦后，進(jìn)行被參考面和物體調(diào)制的變形條紋拍攝，并傳送至計(jì)算 機(jī)中。
[0026] (3)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行三維重建。對(duì)參考面上的條紋而言，由脈沖條紋得到截?cái)嘞辔?||，由相位解包裹算法得到參考面連續(xù)相位￡1 ;對(duì)物體上的變形條紋而言，由脈沖條紋得 至_斷相位_，由相位解包裹算法得到物體連續(xù)相位濟(jì)；通過(guò)以下公式：
(8) 得到連續(xù)相位差，從而利用相位-高度公式：
(1) 最后得到物體表面每一點(diǎn)的高度信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，由脈沖條紋的編碼、脈沖條紋的離焦、 及三維重建三大關(guān)鍵部分組成，其特征是：脈沖條紋編碼原理：由電腦生成一個(gè)周期的標(biāo) 準(zhǔn)正弦波，頻率記為f s;同時(shí)，在同一周期內(nèi)生成一組梯形波，頻率記為f t;將這兩種波型進(jìn) 行判斷比較，生成一個(gè)二值的脈沖寬度調(diào)制波；將一個(gè)周期的脈沖寬度調(diào)制波進(jìn)行多周期 復(fù)制；最后，將一維脈沖寬度調(diào)制波轉(zhuǎn)換為二維脈沖條紋圖。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于： 一個(gè)周期內(nèi)，正弦波和梯形波的頻率比為：fs: ft=l: 10。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于： 一個(gè)周期內(nèi)的梯形波，其占空比即正脈沖與脈沖總周期之比為〇. 1。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于： 正弦波和梯形波兩種波形比較時(shí)的取值方式，當(dāng)正弦波小于梯形波時(shí)，取1 ;當(dāng)正弦波大于 梯形波時(shí)，取0。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，其特征在于： 將一維脈沖寬度調(diào)制波轉(zhuǎn)換為二維脈沖條紋圖，是指一維脈沖波在編程上按行進(jìn)行周期性 復(fù)制。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于脈沖寬度調(diào)制條紋的三維測(cè)量方法，由脈沖條紋的編碼、脈沖條紋的離焦、及三維重建三大關(guān)鍵部分組成。從電腦中生成脈沖條紋，經(jīng)過(guò)投影儀進(jìn)行適度離焦，在參考面上生成正弦條紋，進(jìn)行三維測(cè)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：（1）由于脈沖條紋是二值條紋，其灰度值只有兩個(gè)值（0和1），故測(cè)量速度快。（2）由于投影儀只需輕微離焦，就能消除投影儀的非線性gamma，故不需要復(fù)雜的非線性標(biāo)定就能減小相位誤差。（3）由于脈沖條紋被輕微離焦之后，條紋對(duì)比度降低較少，故克服測(cè)量深度的問(wèn)題。
【IPC分類】G01B11/25
【公開(kāi)號(hào)】CN105157612
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510252609
【發(fā)明人】伏燕軍, 李彪, 曾灼環(huán)
【申請(qǐng)人】南昌航空大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年5月19日