[发明专利]一种基于空间坐标计算的面形测量方法与系统

说明书

本公开提出了一种基于空间坐标计算的面形测量方法及系统，利用CCD摄像机采集放置物体前后两幅条纹图样，通过投影光线与摄像机视线交叉点坐标，建立了光流与物面高度的理论关系式，通过计算空间交叉点坐标即可直接得出三维面形高度分布。本公开给出了光流和空间坐标与物体高度之间的关系，并进行模拟与实验验证，实验结果表明，与传统面形测量技术相比，本公开不需要相位‑高度转换，只需要物体调制前后的两幅条纹图像和投影仪相对于摄像机的空间坐标，通过光流计算观察点的位置坐标，即可直接得到物体面形高度分布，测量系统简单，误差较小。

技术领域

本公开涉及光流面型测量领域，具体涉及一种基于空间坐标计算的面形测量方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

三维面形测量技术在计算机视觉、工业监控、实物复制、生物医学等领域有着广阔的应用前景。光栅条纹照明系统为常用的三维面测量系统，具有硬件配置简单、测量精度高、速度快、成本低等优点。典型的测量系统由一个投影单元和一个或多个摄像机组成。在测量过程中，光栅条纹被投射到被测物面上，摄像机采集光栅变形前后的多幅图像，利用相移或傅立叶变换等技术恢复被测面形的相位分布，再通过相位-高度转换算法，重建物体的三维面形分布，即高度分布。傅里叶变换法仅利用一幅条纹图即可得到物体相位，测量速度快，适合动态曲面的测量，但需要将采集的图像从空域变换到频域，在频谱进行滤波和频谱分离操作，存在频谱重叠和漏频等问题，从而影响物体面形相位的恢复。相移法一般需要采集多幅条纹图像，通过相移算法计算出面形相位，测量精度高，但由于需要采集多幅图像，测量时间较长，实时测量困难较大。傅里叶变换法和相移法二者均需要相位-高度转换才能得到面形高度分布。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于空间坐标计算的面形测量方法与系统，不需要相位-高度转换，由物面调制前后的两帧条纹图像，通过光栅条纹在空间上的坐标变化分析，建立了在点光源投影条件下空间坐标、光流与被测物体面形高度之间的空间关系，进而得到被测物体的三维面形高度分布。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种基于空间坐标计算的面形测量方法，包括以下步骤：

模拟产生光栅条纹，并投影到被测物体的表面；

采集条纹变形前和变形后的图像；

利用光流法得到条纹变形前后图像之间的光流场速度分量，进而得到参考平面上观察点在变形后的空间位置坐标；

确定参考平面上观察点在变形后的位置坐标后，利用投影光线和摄像机视线之间的空间交点坐标，建立条纹变形前后图像之间的光流矢量、空间交点坐标和被测物体高度的关系表达式，进而得到被测物体的三维面形高度分布。

进一步的，所述采集条纹变形前和变形后的图像具体为：

取xoy水平面为参考平面，在参考平面上放置被测物体前，通过投影仪将模拟产生的光栅条纹投影到参考平面上，通过CCD摄像机采集未经被测物体表面调制的条纹图像，得到条纹变形前图像；

在参考平面上放置被测物体后，通过CCD摄像机采集经被测物体表面调制后的条纹图像，得到条纹变形后图像。

进一步的，所述利用光流法得到条纹变形前后图像之间的光流场速度分量，进而得到参考平面上观察点在变形后的位置坐标具体包括：

在参考平面上放置被测物体前，选取参考平面上观察点A，CCD摄像机采集到观察点A对应的点A_i，计算得到A_i点的位置矢量；