[发明专利]基于相位法的三维轮廓测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维测量系统中摄像机和投影装置的相对位置可以任意设置的系统建模和标定方法，尤其涉及一种基于相位法的三维轮廓测量方法。

背景技术

光学式三维物体轮廓测量技术通过对物体图像的分析，得到被测物体表面形状的三维信息。其中基于光栅投影的相位法轮廓测量技术对物体的表面反射率的变化不敏感，具有较高的测量精度，易实现自动测量，是一种比较有代表性的三维测量方法。相位法的测量原理是：将一个被周期函数调制的光栅光场投射在被测物体的表面，由于物体表面高度的变化，使得各点的光栅条纹的相位发生了偏移，由测量系统的光路结构可找出相对偏移量与表面高度的关系，进而求解出物点的三维坐标。

传统的相位法对系统的光路结构，即投影装置、摄像机和参考面的相对位置关系要求严格，如光心和投影中心的连线平行于参考面，光轴(或投影轴)垂直于参考面，光轴和投影轴相交于参考面(或两轴平行)等。在系统校准时，由于光心是一个假想的空间点，光轴是一条假想的空间直线，具体的位置很难确定，投影中心和投影轴也是如此，实际操作中上述位置关系很难达到，导致标定时调整过程繁锁，标定时间长，可操作性不好，而且不能保证标定的精度，进而影响到整个系统的测量精度。

针对这种情况，近年来，一些新的测量方法在传统二维模型基础上进行改进，这些方法，有的放宽了对平行性的要求，有的放宽了对垂直性的要求，这些算法仍在传统模型的二维平面上求解物点高度，仍然需要满足光轴和投影轴相交于参考面，以及摄像机光轴和投影装置的纵轴互相平行等比较严格的位置条件，相应的算法简洁明了，标定时一旦满足了位置要求，用一个高度已知的块规(相当于参考面平移一到二次，或用特制的块规等)即可完成标定。还有一些将投影仪和摄像机视为一个整体，完全不考虑投影装置的投影模型以及相对于摄像机的位置模型，以物点的相位和在摄像机中的成像位置为输入，以物点三维坐标为输出，直接整体建模，在标定时，用一维平动靶，将标定面精确的置于一系列的位置进行标定。

发明内容

本发明提供一种基于相位法的三维轮廓测量方法，本发明的测量方法可以对三维测量系统的摄像机和投影装置的相对位置关系任意设置，实施测量和标定，具有系统构建简单、标定方便快速和精度较高的优点。

本发明的技术方案如下：本发明的可以任意设置摄像机和投影装置相对位置关系的三维测量和标定方法包括：首先标定摄像机参数；然后利用平面模板法标定模板上各点的三维坐标和相位值，得到样本点集合。对摄像机和投影装置的相对位置任意的三维空间结构建模，将样本点集合代入模型中，求出参数。最后测量时将物体图像的像点坐标和相位值代入模型，得到物体三维轮廓。

该方法的操作步骤为：

步骤1：用非线性方法标定摄像机内部参数；

步骤2：构建测量系统：将投影仪、摄像机分别与计算机相连，调整投影仪和摄像机的位置，使投影仪的投影区域和摄像机的视野可以同时覆盖被测物体需要测量的表面区域；

步骤3：建立系统测量关系式：利用投影仪投影光栅条纹，由摄像机得到光栅图像，再用相位法求出图像上各像点的相位值，然后建立相位和物点三维坐标之间的测量关系式，该测量关系式为：