[发明专利]结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维形貌及颜色测量领域，具体地说是涉及一种结合达曼光栅的分析和测量物体三维形貌与颜色的装置与方法。

背景技术

随着社会的进步，对高分辨率的颜色和轮廓数据的需求变得十分强烈。在生产生活中，对三维物体的颜色及形貌信息的评价变得十分普遍。例如在计算机中建造实际物体的虚拟模型以进行一些数据的检验和分析。常见的视觉测量技术主要包括：结构光法、立体视觉法、莫尔条纹方法等。而在颜色渲染技术上也有相关的研究。

专利CN1301480 C描述了一种利用普通光扫描和激光相结合的复合式三维彩色扫描的技术。其利用三角测距原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，从而得到更加详细的坐标数据。在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的彩色信息，得到被扫描物体的三维纹理贴图，两者结合，便形成初步的三维彩色模型。该方法计算数据量巨大，并且需要事先对物体的形貌有一定的认识。

美国Arius3D公司参考National Research Council of Canada在专利US005708498A提出的方案，采用一束含有多组分波长的复色光束投射到物体上，反射光分为两束。一束由传感器阵列接受来确定其相对位置；另一束由分光棱镜分为不同组分波长的光束由一个光敏传感器件线性阵列来接收。这样便同时获得物体的轮廓信息和颜色信息。该方法是真实的彩色扫描，但由于其采用的是点扫描，因此扫描效率很低，并且对环境稳定性要求很高。

加拿大Inspect公司采用相位光栅的方法来获得物体的三维形貌然后拍摄二维相片来进行三维物体的纹理贴图，这种方法的颜色渲染精度不容易控制，并且容易发生贴图变形。

周常河等人给出了从2到64点阵的达曼光栅解[参见在先技术：C.H.Zhou and L.R.Liu,“Numerical Study of Dammann Array Illuminators”,Appl.Opt.,1995,34(26):5961～5969]，专利CN 101451826 C同样提出了利用达曼光栅扩束从而通过傅立叶变换轮廓术来获取物体三维形貌的方法，但是其操作复杂，且对标定精度要求较高，难以实现快速精确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置与方法，用于物体三维形貌及表面颜色的测量。该方法简单易行，不需借助分光谱元件，并且精度较高,可以实现快速高精度的三维物体彩色形貌测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置，包括：光投影模块、CCD相机、步进电机、以及分别与所述的光投影模块、CCD相机、步进电机相连的控制处理模块；

所述的光投影模块包括红绿蓝三色激光光源、该激光光源的上下二路出射光束分别依次经快门、反射镜至合色棱镜，该激光光源的中路出射光束经中路快门至合色棱镜，该合色棱镜将三路光束整合为一束出射，并通过光阑入射至达曼光栅，经该达曼光栅扩展为激光点阵，并在柱透镜的作用下沿一个方向展开为线激光阵列，对放置在基准平面上的待测物体均匀扫描，该基准平面与步进电机相连；

所述的CCD相机负责采集红绿蓝三种照明状态下待测物体的数字图像；

所述的控制处理模块控制红绿蓝三色光源与CCD相机的开闭，并储存CCD相机采集的图像。

所述的红绿蓝三色激光光源为波长稳定的激光。

利用所述的结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置置进行物体表面颜色测量的方法，该方法包括实测前先利用色品坐标已知的标准色卡对系统进行标定阶段以及实测阶段；

所述的标定阶段，具体步骤如下：

①移除达曼光栅，将标准色卡放置在基准平面上；

②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，当红/绿/蓝色激光光源照明标准色卡时，CCD相机采集对应的红/绿/蓝色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色卡的数字图像灰度值，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；

③标准色卡包含颜色的色品坐标均已知，标准色卡中某种颜色在红绿蓝三色光照明下的所采集的图像亮度分别为I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)，建立起该颜色色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与其红绿蓝图像亮度值I_R(λ)、I_G(λ)、I_B(λ)之间的对应关系；