[发明专利]一种基于改进的傅立叶变换轮廓技术的超快三维形貌测量方法及其系统

说明书

本发明公开了一种基于改进的傅立叶变换轮廓技术的超快三维形貌测量方法及其系统，首先对测量系统进行标定，得到标定参数，所述投影仪向被测场景循环投射2n幅图案，n幅为波长不同的二值高频正弦条纹，n幅为像素值都为“1”的全白图像，将全白图像间隔在每两幅二值高频正弦条纹之间进行投影，利用相机同步采集图像；然后对包裹相位去包裹得到初步的绝对相位，并对初步的绝对相位进行校正，最后利用校正后的绝对相位和标定系数重建被测场景的三维形貌，获得了被测场景在世界坐标系的三维空间坐标，从而完成了对物体的三维形貌测量。本发明在保证物体三维形貌测量精度的同时，显著提升了物体三维形貌测量的速度。

技术领域

本发明属于三维成像技术领域，特别是一种基于改进的傅立叶变换轮廓技术的超快三维形貌测量方法及其系统。

背景技术

在过去的几十年中，得益于电子成像传感器、光电子技术以及计算机视觉的快速发展，三维图像获取技术也越来越成熟。然而在诸如生物力学分析、工业检测、固体力学形变分析以及车辆冲击试验等领域中，人们希望能够获得物体瞬态变化时的三维形貌信息，再以一个比较缓慢的速度回放观察从而对其进行分析。条纹投影轮廓技术是获取物体三维形貌信息的一种广泛应用的方法，其具有非接触、分辨率高以及实用性强等优点。条纹投影轮廓技术一般分为傅立叶变换轮廓技术和相移轮廓技术两大类。其中傅立叶变换轮廓技术(范宇佳硕士论文：傅里叶变换轮廓测量技术测量物体三维形貌，2011年)只需要一幅条纹就可以获取物体的三维信息，测量速度快，但是其由于存在频谱混叠等问题，测量精度与相移轮廓技术相比较低。而相移轮廓技术虽然精度高，但是至少需要通过三幅条纹图才可以获取物体的三维信息，所以限制了它的测量速度。当前已经实现的三维形貌测量技术的测量速度根本无法满足上述领域超高速三维形貌测量的需求。

与此同时，从条纹投影轮廓技术想要实现超高速三维测量所需要的硬件技术指标来看，一方面现在已有的高速相机对于二维图像的采集已经可以达到每秒10000帧的速度，如果减少所采集图片的分辨率的话，其采集速度还可以更快。另一方面，数字微镜器件(DMD)作为投影仪的主要部件，利用光学开关投影二值图案的速率也可以达到10000Hz。所以硬件已不再是条纹投影轮廓技术提升测量速度的限制因素。如何在保证测量精度的同时减少所需的条纹图像数量才是解决问题的关键。针对传统傅立叶变换轮廓技术虽然只需要一幅条纹，测量速度快，但是一旦被测物体存在边缘锐变、表面不连续以及表面反射率变化大等现象就会造成频谱混叠并导致测量精度不高的问题，有研究者提出了π相移傅立叶变换轮廓技术(Guo L,Su X,Li J.“Improved Fourier transform profilometry for theautomatic measurement of 3D object shapes”.Optical Engineering,1990,29(12):1439-1444.)以及减除背景的傅立叶变换轮廓技术(Guo H,Huang P.“3D shapemeasurement by use of a modified fourier transform method”.Proc.SPIE.2008,7066:70660E.)，但是前者将高度信息包含在了两幅正弦条纹图中，导致对运动的敏感性增加，不利于高速三维测量。后者测量所需的条纹图案没有办法准确地在投影仪投二值图案模式下产生，一旦无法使用二值图案投影模式，那么测量速度将会大大降低。同时这两种改进方法都无法解决被测物体表面反射率变化大所造成的频谱混叠问题。而针对相移轮廓技术虽然测量精度高，但所需条纹图较多，影响测量速度的问题，也有相关研究者提出了一些改进的方法，如有人提出利用双频条纹图叠加的方法(Liu K,Wang Y,Lau D L.“Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement”Optics express,2010,18(5):5229-5244.)。也有人提出在条纹图中嵌入散斑的方法(Zhang Y,Xiong Z,WuF.“Unambiguous 3D measurement from speckle-embedded fringe”.Applied optics,2013,52(32):7797-7805.)。但是改进后的方法对物体进行三维形貌测量的速率依然限制在1000Hz以下，无法满足对诸如子弹出膛、气球爆炸等超高速场景进行三维形貌测量的需求。由此可见，当前缺乏一种测量速度能够达到超高速，即在每秒上万帧左右，同时又能够保证测量精度的三维形貌测量方法。