[发明专利]一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于物体三维测量技术领域，特别涉及一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量系统及方法。

背景技术

随着精密机械加工、汽车制造、精密光学加工、半导体行业、精密仪器制造、模具设计、逆向工程等领域的快速发展，传统的二维测量设备已不能满足日趋现代化、自动化的生产要求，三维测量技术应运而生。目前对物体的三维面形测量主要有接触式三坐标测量仪、光学扫描、干涉仪等。但是，接触式三坐标机测量时间相当长(通常数小时以上)，而且可能破坏待测物体表面，干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体，且测量条件、环境要求苛刻，测量范围非常的小。

基于条纹投影的三维测量方法成为了近年来人们最为关注的三维面形测量方法之一。因为这一方法具有快速、精度较高、系统成本低、测试条件要求低等优势，所以在工业精密零部件加工与制造、手机模型的检测、半导体电路加工质量的检测、逆向工程等领域起着非常重要的作用。这一方法一般是通过投影仪将结构光条纹图投影在待测物体表面，然后由相机记录下待测物体表面的变形图样，再经相位解调等步骤得到变形条纹的相位分布，计算出被测物体的三维高度信息，因此具有速度快、精度高、非接触、易操作的特点。然而传统基于条纹投影的三维测量系统由于需要相机、投影仪及计算机等设备，无法实现便携，并且操作过程比较复杂，使得其应用十分局限，无法在广大的消费群体中推广。同时，伴随着电商行业的发展和日益增长的个性化定制需求，普通消费者用户希望能够使用的简易三维面形测量装置，比如：对面部、手、脚进行粗略的三维测量，进而对个性化定制眼镜框架、线上选购手套、皮鞋等物件提供参考。消费者对于物体三维面形测量系统的便携性和操作简易性的需求显得越来越重要。因此，亟需寻找一种能解决目前三维面形测量系统存在便携性差和操作复杂的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：本发明采用一部带有闪光灯的智能拍照手机和安装在手机闪光灯上的微型光学幻灯投影元件构建得到经济、便携的物体三维面形信息测量系统，并且运用这一测量系统获取三维面形信息的还具有操作简单、测量速度快的优势，有利于三维面形测量系统在日常生活中的应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面本发明提供一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量系统，其特征在于：包括具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，所述智能手机上还具有微型光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像，微型光学幻灯投影元件紧贴在手机闪光灯罩上，开启闪光灯能够使得正弦条纹投影并完全覆盖在待测物体表面，图像采集模块能够采集待测物体表面调制后得到的变形条纹图像，经数据处理模块处理即能够在智能手机显示屏上显示测量得到物体表面的三维面形信息。进一步地，待测物体表面、光学投影元件和手机摄像头在空间上的位置满足反射定律。

另一方面本发明还提供一种基于条纹投影测量物体三维面形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：组装测量系统；

选择具有闪光灯功能、图像采集功能和数据处理功能的智能手机，在智能手机闪光灯罩上安装光学幻灯投影元件，所述微型光学幻灯投影元件至少包括透镜和透明胶片，所述透明胶片上具有正弦条纹图像；

步骤B：采集图像；

调整手机位置使得摄像头正对待测物体表面，定义手机摄像头和待测物体表面之间的距离为L，定义手机摄像头中心与闪光灯中心的距离为d；开启闪光灯使得微型幻灯关学投影元件将其内正弦条纹投影到待测物体表面，而后采集得到经待测表面调制后得到的变形条纹图像；

步骤C：图像数据处理；

通过智能手机数据处理模块进行相位解调得到变形条纹的相位并进行相位展开，根据相位高度映射关系求得高度值，即可得到物体表面的三维面形信息。

进一步地，本发明中图像数据处理具体如下：

所述步骤B中正弦条纹的表达式如下：

I₀(x,y)＝A+Bcos(2πf₀x)

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率；

则采集得到变形条纹图像表达式采用如下表示：

式中：A表示背景光强，B表示调制度分布，f₀表示载频的频率，表示经待测物体表面调制后引入的附加相位；

采用傅里叶变换调解变形条纹相位得到如下表达式：