[发明专利]相位偏移校准方法、3D形状检测的方法、系统及投影系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种对目标形状进行测量和检测的系统和方法，具体而言，涉及一种相位偏移校准方法、利用光学投射图案校准和相位偏移校准对目标的3D形状进行检测的系统和方法以及检测3D形状的投影系统。

背景技术

在目前的目标形状的测量和检测的技术中，通常使用投影仪投射特定的光(例如条纹光或结构光)到目标表面及参考平面上，然后对目标表面及参考平面上形成的条纹光的图像进行拍摄并根据拍摄的图像中目标形状造成的光信号的变化利用相位法计算目标的位置和高度等信息，最终形成目标的3D形状。如图1所示，投影仪101将通过例如正弦光栅等光栅的条纹光投射到目标表面及参考平面上，然后由照相机102对其进行拍摄以形成图像。

由于目标的形状使得目标表面的各点与其后面的参考平面的距离不等，由此使得投射到目标上的条纹光变形。如图2所示，从投影仪投射出的光为正弦光，而后变为变形的形状。如图10所示，在目标上坐标为(x,y)的点p处的目标表面与参考平面的距离z(x,y)可以通过下式(1)计算：

其中，投影仪与相机所形成的平面平行于参考平面，l₀表示投影仪与照相机所形成的平面与参考平面的距离，表示目标和参考平面之间的相位值的差，B表示投影仪与照相机之间的距离，f₀表示投射的条纹光的正弦光栅的周期。

上式中的相位值实际是通过相位偏移方法计算的，通常需要进行至少三步相位移动以确定相位值。在实际测量过程中，也可以是四步相位移动等。相位值的计算一般来说为，首先进行相位包裹(phase wrap)的计算，而后进行相位解包裹(phase unwrap)的计算，最终得到相位值。图3示出了相位包裹和相位解包裹的示意图。

具体地，首先进行相位包裹的计算，向目标上照射多帧条纹光，从第1帧到第N帧，N是根据需要得到的整数，例如N＝3、4等，在N等于三时，根据下式(2)计算相位包裹值，其中点(x,y)的相位包裹值θ(x,y)为：

其中I_i(x,y)表示第i帧相移图在点(x,y)的光强。

由于相位θ(x,y)是通过反正切函数计算得到的，因而求解所得的相位值包含在[-π，+π]中，和连续、真实的相位值相差2Nπ，所以要得到连续真实的相位值还需要对其进行解包裹得处理。

利用以下公式(3)计算相位解包裹的结果，也就是计算得到点(x,y)的相位包裹值

其中N表示相位解包裹的级数。

一般而言，利用结构光测量3D形状的步骤如下：捕获反射的图像；相位包裹；相位解包裹；生成相对相位；计算高度。

此外，在目前目标形状的测量和检测中使用的是轴偏离的投射系统，其关键问题是失真。这种失真会改变正弦图案的周期，并且每个条带的间距会变得不平均。因此，通常使用坐标校准方法进行校准，例如通过在棋盘格上投射图案光的方法进行校准，但是这种方法处理过程复杂、准确性低，同时受到棋盘有限分辨率的限制。

在公开号为US20120127305A1的美国专利申请中，其公开了一种用于得到表面轮廓的方法和装置，其中公开的方法中利用至少两个方向的数据来获得合成的高度值。这种方法中需要将两个方向的相位分别进行包裹、解包裹和得到高度值，而后将两个高度值合成来得到合成高度值。因而这种方法需要进行两个方向的多次运算，非常耗时。

在公开号为US20140253929A1的美国专利申请中，其公开了一种用于3D表面的方法和装置，其中公开的方法将至少两个方向的数据分别产生的相位解包裹合成，而后形成最终的高度值。在这种方法中也需要将两个方向的相位分别进行包裹和解包裹，而且需要两个照相机和两个投影仪，也是耗时并且结构复杂的。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出了一种利用相位偏移校准对目标的3D形状进行检测的系统和方法，其计算时间较短并且准确度高。

本发明提出了一种对目标的3D形状进行检测的方法，包括以下步骤，

步骤S1，将至少两个不同方向的具有图案的结构光投射到目标上，沿所述至少两个不同方向获取被目标反射后形成的结构光图案，并计算沿所述至少两个不同方向的结构光图案在目标上的所需像素处的相位包裹值；

步骤S2，对沿所述至少两个不同方向获取的结构光图案进行分析，针对结构光图案的灰度值得到至少两个不同方向的第一方向的具有无效相位包裹值的像素位置；