[发明专利]一种基于相位测量的物体三维形貌测量方法及系统

说明书

技术领域：

本发明属于三维测量领域，具体涉及一种基于相位测量的物体三维形貌测量方法及系统。

技术背景：

现在许多工业领域需要检测物体三维形貌，其中包括产品质量控制、检测及逆向工程领域。目前大多数系统都采用双目光栅测量法进行测量，其工作原理为：基于光学三角形原理，利用白色可见光透过物理光栅将一组光栅条纹投影到物体表面，因为光栅条纹在曲面上发生光学干涉，再利用两个数码相机将其拍摄下来，经过图像分析、计算，最后就可求出物体的3D点云数据，华中科技大学申请的专利“一种基于二维编码的三维形貌测量方法，申请号：200710052728.9”中利用不同图像的灰度值来对经过结构光照射下的物体投影进行编码，将图像划分成多个大小互不重叠的字块，经过译码和相位计算获得每个空间点的编码信息和相位信息，获得测量空间点的坐标。虽然该方法精度较高，但是制作物理光栅比较复杂，而且测量速度慢。该方法即为使用物理光栅，对投影装置内控制系统的精度和光栅制造工艺要求很高，要求能精确控制投影图像的相移步距一致，这三点就决定了整个系统的造价非常昂贵，而且在后续维护费用非常高。随着技术的发展有些研究机构提出利用数字光学投影设备来代替物理光栅，数字投影设备可以利用计算机编程方法，方便的产生高精度相移光栅图像，这样成本会大大的降低，中国船舶重工集团公司第七十一研究所申请的专利“变频投影栅线三维形貌测量仪及其测量方法，申请号：200710045595.2”中利用计算机产生均匀的栅线，同时外接投影仪，将栅线投影到被测物体表面，取代了物理投影栅，这样光栅的密度均匀性、条纹直线性得到了保证，但是在后续处理过程中采用计算莫尔条纹的等高线来获得物体的三维形貌，由于莫尔条纹等高线计算物体三维形貌精度较低，所以该种方法适合测量精度较低的场合。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于相位测量的三维物体形貌测量方法及系统，其技术方案为：首先放置好待测物体，测量时，利用计算机编程产生高精度的数字相移光栅图像，并通过DLP投影机将光栅图像投射到待测物体表面，由于事先设定好的程序，与计算机相连的DLP投影机将产生相位移为θ的四幅光栅图像，同时CCD摄像机也将先后获取对应的具有相位移θ的四幅莫尔条纹图像，再经图像采集卡将捕捉到的图像信号处理后送入计算机计算莫尔条纹图像的每个像素点的相位，最后根据相位与高度的映射关系计算出被测物体表面的三维点云数据，得到的三维点云数据送入三维重建软件处理即可获得物体的三维形貌。

本发明还提供一种用于实施上述测量方法的系统，它是由DLP投影机、CCD摄像机、图像采集卡、计算机构成。

本发明的有益效果：其一是避免了使用编码的方法测量物体的三维形貌带来的编码解码过程中的误差和处理的复杂性；其二是避免了使用物理光栅产生莫尔条纹，极大降低了对投影装置内控制系统的精度和光栅制造工艺要求，有效降低成本；其三是通过计算莫尔条纹图像每个像素点的相位来计算每个像素点的相对高度，其具有测量精度高、操作简单方便、速度快、高可靠性的优点。

附图说明：

以下结合附图和实施例对本发明详细说明，其中图1是测量系统的结构简图，图1中1.计算机、2.待测物体、3.DLP投影机、4.CCD摄像机、5.图像采集卡。

图2是相位测量的三维物体形貌测量方法的算法流程图。

具体实施方案：

如图1所示，首先放置好待测物体(2)使其法线与DLP投影机(3)成45°角，同时其法线与CCD摄像机(4)成0°角，开始测量时，利用计算机(1)编程产生高精度的数字相移光栅图像，并通过DLP投影机(3)将光栅图像投射到待测物体(2)表面，此时由CCD摄像机(4)捕捉经过待测物体(2)调制的莫尔条纹图像，由于事先设定好的程序，与计算机(1)相连的DLP投影机(3)将产生相位移为θ的四幅光栅图像，同时CCD摄像机(4)也将先后获取对应的具有相位移θ的四幅莫尔条纹图像，再经图像采集卡(5)将捕捉到的图像信号处理后送入计算机(1)计算莫尔条纹图像的每个像素点的相位，具体算法流程如图2所示，计算机首先选择被测物体的像素点，然后计算每幅相位图所选相像素点的光强值，再根据光强值计算每个像素点的相位值，最后根据相位值计算每个像素点的三维点云数据，具体步骤如下：已知DLP投影机(3)投射的每幅莫尔条纹图像之间的相移是θ，θ可以是未知的一个常数，所以每个像素点的光强值与相移θ之间有如下关系：

I₁＝I₀+Acos(φ+θ)