[发明专利]一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法

权利要求书

1.一种基于高速LED阵列的三维测量系统，其特征在于：包括计算机、控制板卡、高速LED阵列、成像镜头、物体、相机镜头与CCD相机；

所述控制板卡的I/O输出控制信号给分辨率为n*n的高速LED阵列，由高速LED阵列通过直接编码的方式输出二值方波条纹；高速LED阵列的输出为LED阵列上的灯珠的亮灭；二值方波条纹即指LED阵列由不同列灯珠的同时点亮时二值方波条纹对应的图案；高速LED阵列利用并行的控制信号在一个时间周期内实现所有行列控制，只需2×n个I/O端口，在一个LED灯的开关时间显示待投影的编码二值条纹图案；二值方波条纹经由成像镜头离焦调制后形成正弦条纹，投射到待测物体表面，再由相机镜头收集被物体调制后的正弦条纹并成像到CCD相机的接收面；控制板卡对CCD相机进行外部触发控制，实现对高速LED阵列投影和CCD相机拍摄的同步控制；CCD相机拍摄的图像数据传送到计算机，由计算机根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，完成三维重建；

高速LED阵列在进行三维测量时，具体方式为：

步骤一：LED阵列编码输出二值方波条纹；

首先，确定M个高频正弦条纹的频率或周期，采用分辨率为n*n的LED阵列编码出与其频率或周期一致的二值方波条纹，然后根据每一种高频正弦条纹所采用相移法的相移步数N_i，N_i的取值大于等于3，对二值方波条纹平移，依次获得该高频正弦条纹下对应的N_i幅相移的二值方波条纹；至此，M个高频正弦条纹共需编码得到幅二值方波条纹；其中，二值方波条纹中的1表示LED阵列单元的点亮，0表示熄灭，LED阵列按整行或整列方式控制；

步骤二：对步骤一所述编码的幅二值方波条纹，依次进行投影，成像镜头对LED阵列编码的二值方波条纹离焦调制，形成质量较高的正弦条纹，并投影至待测三维物体，在投影过程中，LED阵列按整行或整列方式控制，进行高速投影切换；

步骤三：采用控制板输出同步触发信号控制CCD相机，使CCD相机与LED 切换投影速度同步，采集经过物体高度调制后的正弦条纹，并保存输出到计算机；

步骤四：对CCD采集的正弦条纹进行相位解调，分别得到不同频率正弦条纹的包裹相位，再利用多频外差方法进行相位展开，获得不同频率正弦条纹的绝对相位；

采用四步相移算法，每步的相移为π/2，在理想情况下，经成像镜头离焦生成的四幅标准正弦条纹的图像灰度表达式分别为：

I₁(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)] (1)

I₂(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+π/2] (2)

I₃(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+π] (3)

I₄(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+3π/2] (4)

其中，I(x，y)为正弦条纹的图像灰度分布，(x，y)为正弦条纹的图像像素位置的坐标，A(x，y)为背景光强，B(x，y)为调制强度，φ(x，y)为待求相位；

根据上面方程(1)～(4)联立求解得到投影的四步相移正弦条纹的包裹相位为：

利用多频外差法，对所述的包裹相位φ(x，y)进行相位展开得到绝对相位，令Φ₁(x，y)，Φ₂(x，y)分别是两个频率条纹的绝对相位值；k₁，k₂是相位跳变阶数，当两种频率正弦条纹的波长分别是λ₁和λ₂且λ₁＜λ₂＜2λ₁，那么两种频率的正弦条纹有如下关系：

φ_eq(x，y)＝φ₁(x，y)-φ₂(x，y) (7)

式中，φ_eq(x，y)是合成相位，λ_eq是合成波长；

根据上述关系，求解得到不同频率正弦条纹的绝对相位分布；

步骤五：根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。