[发明专利]基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轮廓测量的方法，尤其涉及一种基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法。

背景技术

在现代测量中，物体三维轮廓的测量有着重要的意义。随着物体三维轮廓的非接触检测技术在自动控制、在线检测、逆求工程、复杂物体三维建模、医学诊断、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、机器人及许多生产过程中越来越广泛的应用。人们对三维轮廓测量的要求也越来越高，其应用领域也在不断扩大。如汽车车身、船用螺旋桨叶和飞机发动机过渡段的形状检测等。当前，物体三维轮廓测量技术是信息技术的研究热点。其中，光栅投影法和傅里叶变换轮廓术由于易于实现，数据处理易于自动化，具有较快的速度和较高的测量精度，成为三维轮廓测量的理想方法，在三维轮廓测量中有着重要的意义。但是前期的研究表明，它具有如下的局限性。第一：当测量物体存在突变时，单一频率的光栅投影，由于突变处条纹重叠或物体表面阴影导致的条纹图样的不连续性，将导致叠相还原过程无法准确进行。第二：由于视场的原因，不能测量大面积的物体，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。第三：傅里叶变换轮廓术中，难以实现全自动的滤波，滤出需要的频率分量必须经过不断试错才能得到最准确的滤波器参数，一般采用人机交互的方式，限制了该方法的实用化。第四：目前的光栅投影法一般采用计算机生成电子光栅，通过投影仪进行投影。投影系统一般比较大，不便于携带，也不便于改变投影方向。而且采用计算机进行信息处理，速度不够快。

为了解决以上问题，同时采用双频光栅投影和傅里叶变换方法，进行物体三维轮廓测量的研究。研究双频光栅傅里叶轮廓术的理论模型；研究改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型。并对具体的台阶状的物体进行仿真和实验研究。在理论上丰富和建立双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型，在应用上成功解决有突变面形和投影时具有阴影的物体的三维轮廓测量问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，该方法通过软件编程来产生双频光栅，因此能够非常灵活地生成各种不同灵敏度的双频光栅，以满足不同台阶状面形的要求。

本发明是这样来实现的，其特征是通过软件编程将两种不同频率的正弦电子光栅合成为双频光栅，通过光学投影系统将双频光栅投影到物体表面上，在物体的表面生成了变形光栅，将变形光栅成像在摄像机上，由于投影光路是斜向的，物体的表面存在部分光照不到的区域而出现阴影，为了消除阴影，将放在旋转平台上的物体旋转180度再成一张像，然后将拍的两副图像通过图像拼接技术拼接起来，得到一副没有阴影的照片，利用角点检测技术找特征点，通过特征点并结合Levenberg-Marquardt优化算法得到图像变换矩阵，并利用双线性插值算法进行坐标变换实现图像拼接，对拼接后的图像采用双频光栅傅里叶变换轮廓术进行信息处理，以计算机作为信息处理中心，对图像进行傅里叶变换后，在频域中这两个频率成分相分离，提取相应的成分，就可以获得两种不同灵敏度的测试结果，由粗光栅测量出物体非连续的突变部分的大致轮廓，由精细光栅得到物体突变前后各部分的精确轮廓，将两者结果合成得到含有突变面形物体的精确形貌。

本发明所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术，其特征是截断相位为：2πfx+φ(x，y)，傅里叶逆变换后的相位范围在-π～π之间，得到的是截断相位，相位解包裹分为两步：首先对第一个原因进行解包裹，再对第二个原因进行解包裹。然后求相位差，再利用高度和相位差的关系得到物体的高度，从而得到物体的三维轮廓。

本发明所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术可由改进型的傅里叶变换轮廓术代替。

本发明所述的改进型的傅里叶变换轮廓术，其特征是在对信号进行傅里叶变换之后，不对频谱部分频移，直接滤出需要的高、低频部分，再分别进行傅里叶逆变换，求出物体表面相位后，再与基准面的相位相减，就可以得到与高度有关的相位差，该方法对于对频域而言，相当于对不在原点的频谱直接逆变换，根据频移定理，取对数，再取虚部后，相位2πfx+φ(x，y)，同样也可求得基准面的相位为：2πfx+φ₀(x，y)，两者相减就将2πfx消掉了。

本发明的优点是：1、双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现。易于实用化，速度快，测量精度高；2、改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现，减少了计算量，速度快，提高了滤波的精度；3、通过旋转图像拼接，可以测量台阶状有阴影的物体的三维轮廓测量问题，并且具有较高的测量速度和测量精度。

附图说明

图1为本发明的一截面傅里叶变换后的频谱图。