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专利名称：基于三色光栅投影的傅里叶变换三维测量法的制作方法
技术领域：
本发明属于三维信息重构的领域。基于彩色光栅投影，采用傅里叶变换法分析变 形光栅图像求解相对相位，采用双频法进行相位展开，得到精确绝对相位的过程。
背景技术：
三维测量技术能够描述物体的三维特征和获取物体表面的三维信息，在产品检测 和加工控制、医疗领域、文物保护领域、航空航天领域、文化领域等有着广泛的应用。在众多 的三维测量技术中，光学三维测量技术以其非接触测量、实时性较好等特点成为占主导地 位的三维测量技术。光学三维测量技术是以现代光学为基础，融光电子学，计算机图像处理，图形学， 信号处理等科学为一体的现代测量技术。它将光学图像作为信息检测和存储的实体，从图 像中获得三维测量所需信息。相对于其它三维信息测量方法，光学测量技术具有高速度、高 精度的特点，从上世纪60年代以来，得到了广泛的研究和应用。基于编码光栅投影的三维 测量技术最具代表性，应用最为广泛。基于光栅投影的三维测量就是将光栅图样投影到被测物表面，由摄像机获取变形 的光栅图像，并由相位与高度的关系来确定出被测物体相对参考平面的高度信息。当光栅 投影到物体表面上时，周期性光栅的相位就受到物体表面高度轮廓的调制，形成变形光栅， 变形光栅中带有物体的三维信息。准确获取变形光栅图像的相位分布在整个三维测量过程 中起着关键作用。获取相位分布的方法主要有相移法，傅里叶变换法，小波分析法。傅里叶变换测量 法是一种常用的非接触式的三维测量方法，它通过对一幅变形光栅图像进行全局傅里叶变 换，提取包含相位信息的基频分量，逆傅里叶变换，进而获得光栅图像的相对相位值。相比 于传统的相移技术，傅里叶方法测量过程中只需采集一幅光栅图像，实时性高，真正实现对 动态物体的测量。但由于在傅里叶变换中真正需要提取的有用信息是基频分量，背景分量 和高频分量的频谱会与基频分量的频谱相互重叠，造成频谱混叠，严重影响了傅里叶变换 三维测量法的测量精度。通常采用的抑制频谱混叠的措施是拍摄两幅具有η相移的条纹 图像，通过两幅图像的相减，可以有效地抑制背景分量。但是由于需要采集两幅图像，影响 了测量的实时性。由于傅里叶变换法得到的相位值是介于0-2 π的，所以需要进行相位展开得到绝 对相位值。但是因为傅里叶变换在解决具有高度跳变和陡峭斜面物体的相位求解的过程中 会出现误差，一点的误差在相位展开时会影响接下来待处理点的相位展开精度，所以会导 致相位展开时产生连续错误，即拉线现象。直接展开相位的扫描线方法速度较快，但鲁棒性 较弱，极易产生拉线现象。双频法通过投射含有两种频率分量的正弦光栅，经傅里叶变换滤 波，得到两种频率下的相位值，用低频下得到的相位值修正高频下得到的相位值，从而修正 高频下得到的相位不连续处的错误值。但由于双频法也是用傅里叶变换求解初始相位，所 以也存在着两种频率分量之间的频谱混叠问题。

发明内容
技术问题针对傅里叶变换三维测量法中存在的频谱混叠和相位展开过程鲁棒性 不高的问题，本发明的目的在于不影响测量实时性的前提下消除傅里叶变换三维测量法中 的频谱混叠的影响并提高相位展开过程的精度。本方法仅需投影一幅光栅图像，改善了测 量的实时性，可以实现动态测量，并可以克服被测物体表面反射率不同和表面噪声等因素， 达到较好的测量精度，具有较好的鲁棒性。技术方案一种基于三色光栅投影和傅里叶变换的三维形貌测量法，具体步骤如 下步骤1 设计一幅彩色投影光栅图像，并将光栅图像投影到待测物体表面，所述彩 色投影光栅图像设置如下f (m, n) = ar+brcos (2 τι f0m) +ag+bgcos (4 τι f0m) +ab其中，a,、ag为R，G分量的背景光强，b,、bg为R，G分量的反射率，ab设置为R，G两 分量的平均值，&是R分量正弦条纹的频率，(m，η)表示光栅图像的二维坐标，G分量正弦 条纹的频率是R分量正弦条纹的2倍，步骤2 使用彩色CCD对待测物体表面进行拍摄，得到一幅变形光栅条纹图像g(x,y) = rr (χ, y) [ar+brcos (2 π f0x+ Φ ! (x，y)) ] +rg(x, y) [ag+bgcos (4 π f0x+Φ 2 (χ, y))]+rb (χ, y)ab其中，rr(x, y)、rb(x，y)、rg(x，y)是物体对不同颜色光的反射率，反射率为常数， Φ1(χ,υ),Φ2(χ,υ)是待求的低频和高频的相位分布，(x,y)表示变形光栅条纹图像的二维 坐标，步骤3 从变形光栅条纹图像中分离得到的彩色图像的R、G、B分量，并从R、G分量 灰度图中去除背景分量，得到去除背景分量后的R分量低频标准灰度图R1U, y)、去除背景 分量后的G分量高频标准灰度图G1 (x, y)，采用如下方法从R分量灰度图中去除背景分量步骤3. 1. 1 首先求取R分量像素灰度值的平均值叫和方差4，Β分量像素灰度值 的平均值mb和方差db使用以下公式修改R分量的每个像素灰度值T1 (X，y) = r (X，y) +mb_mr
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权利要求
一种基于三色光栅投影和傅里叶变换的三维形貌测量法，其特征在于，具体步骤如下步骤1设计一幅彩色投影光栅图像，并将光栅图像投影到待测物体表面，所述彩色投影光栅图像设置如下f(m，n)＝ar+brcos(2πf0m)+ag+bgcos(4πf0m)+ab其中，ar、ag为R，G分量的背景光强，br、bg为R，G分量的反射率，ab设置为R，G两分量的背景光强的平均值，f0是R分量正弦条纹的频率，(m，n)表示光栅图像的二维坐标，G分量正弦条纹的频率是R分量正弦条纹的2倍，步骤2使用彩色CCD对待测物体表面进行拍摄，得到一幅变形光栅条纹图像g(x，y)＝rr(x，y)[ar+brcos(2πf0x+φ1(x，y))]+ag(x，y)[ag+bgcos(4πf0x+φ2(x，y))]+rb(x，y)ab其中，rr(x，y)、rb(x，y)、rg(x，y)是物体对不同颜色光的反射率，反射率为常数，φ1(x，y)、φ2(x，y)是待求的低频和高频的相位分布，(x，y)表示变形光栅条纹图像的二维坐标，步骤3从变形光栅条纹图像中分离得到的彩色图像的R、G、B分量，并从R、G分量灰度图中去除背景分量，得到去除背景分量后的R分量低频标准灰度图R1(x，y)、去除背景分量后的G分量高频标准灰度图G1(x，y)，步骤4对R分量低频标准灰度图R1(x，y)、G分量高频标准灰度图G1(x，y)做傅里叶变换，分别得到R分量的相对相位分布和G分量的相对相位分布，对去除背景分量后的R分量低频标准灰度图R1(x，y)做傅里叶变换，得到R分量的相对相位分布的过程如下步骤4.1.1将R1(x，y)表示成指数形式 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>&infin;</mo> 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2π之间；步骤5步骤5.1采用扫描线法直接展开步骤4中得到的R分量的相对相位值φ1(x，y)即通过以下公式逐点扫描，直到相位分布中无大于π的跳变为止其中，为展开后的低频绝对相位，φ1(x，y)为相对相位，Δφ1为相邻两点之间的相位差值，步骤5.2采用扫描线法直接展开步骤4中得到的G分量的相对相位值φ2(x，y)即通过以下公式逐点扫描，直到相位分布中无大于π的跳变为止其中，为展开后的高频绝对相位，φ2(x，y)为相对相位，Δφ2为相邻两点之间的相位差值步骤6由步骤5中得到的低频绝对相位和高频绝对相位采用双频法校正高频绝对相位高频绝对相位消除误差，得到最终的展开相位结果步骤7读取最终的展开相位结果根据经典光栅投影的由展开相位结果到物体高度h(x，y)的转换公式，最终求得测量物体的三维信息，所述的转换公式为其中，l、d是测量系统的几何参数，l是投影仪到测量平面的距离，d是CCD摄像头到投影仪的距离，表示相位变化量，为展开相位结果，为初始相位结果，ω0为投影光栅的角频率。FSA00000281375900012.tif,FSA00000281375900024.tif,FSA00000281375900031.tif,FSA00000281375900032.tif,FSA00000281375900033.tif,FSA00000281375900034.tif,FSA00000281375900035.tif,FSA00000281375900036.tif,FSA00000281375900037.tif,FSA00000281375900038.tif,FSA00000281375900039.tif,FSA000002813759000310.tif,FSA000002813759000311.tif,FSA000002813759000312.tif,FSA000002813759000313.tif,FSA000002813759000314.tif,FSA000002813759000315.tif
2.根据权利要求1所述的基于彩色光栅投影和傅里叶变换的三维形貌测量法，其特征 在于，采用如下方法从R分量灰度图中去除背景分量步骤3. 1. 1 首先求取R分量像素灰度值的平均值ην和方差dr，B分量像素灰度值的平 均值mb和方差db使用以下公式修改R分量的每个像素灰度值 T1 (X，y) = r (X, y) +mb-mr
3.根据权利要求1所述的基于彩色光栅投影和傅里叶变换的三维形貌测量法，其特征在于步骤6中双频法为步骤6. 1 读入得到的低频绝对相位奶(U)和高频绝对相位夠(X,少)，步骤6. 2 遍历灼(Xj)、钓，计算两者之间的差异程度，即得到以下参数的分布
全文摘要
一种新的基于三色光栅投影的傅里叶变换三维测量法。其主要目的在于精确得求解出光栅图像的相位分布，由相位分布得到物体的三维形貌信息。其实现步骤为投影光栅中的RG分量的灰度值设置为两种不同频率的正弦变化规律，B分量设置为R或G分量的平均值，形成一幅彩色光栅图像投影到被测物体上。将采集到的彩色变形光栅图像的3种分量分离，对分离后的3幅灰度图像进行处理，同时可以在采用傅里叶变换法求取相对相位时抑制背景分量和高频噪声，在相位展开时用两种频率下的相对相位值进行比较校正，达到精确求取含有高度信息的绝对相位的目的。整个测量过程只需投射一幅光栅图像，实时性较好。
文档编号G01B11/25GK101986098SQ20101029022
公开日2011年3月16日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者达飞鹏, 黄昊 申请人:东南大学