[发明专利]基于单像素成像双目偏折术的物体形貌测量方法

说明书

本发明公开了一种基于单像素成像双目偏折术的物体形貌测量方法，包括：步骤S1：基于傅里叶单像素成像原理以及傅里叶中心切片产生多幅水平和垂直的傅里叶基频条纹图像；步骤S2：通过显示屏显示生成的多幅水平和垂直傅里叶基频条纹图案，并通过相机采集经过待测物体表面反射而发生扭曲的傅里叶基频条纹图案；步骤S3：基于单像素成像原理，对相机采集到的图像进行解算；步骤S4：组合为显示屏对应点坐标；步骤S5：基于双目偏折术，通过求得的显示屏坐标，在双目偏折术框架下，迭代重建待测物体上表面三维点云及表面法线，通过波前重构算法得到待测物体表面三维形貌。本发明具有原理简单、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广等优点。

技术领域

本发明主要涉及到物体形貌的测量技术领域，特指一种基于单像素成像双目偏折术的物体形貌测量方法。

背景技术

在工业生产领域中，对晶片、玻璃、透镜等镜面反射或有一定厚度的光滑透明物体(厚透面)形貌测量的需求日益增长。

传统技术中，有从业者采用条纹反射法，该方法采集物体表面反射光，并基于相机-显示屏几何关系重建待测物表面形貌，其具有精度高、灵活性强等优点，常被用于镜面物体形貌测量。但是，由于厚透面存在下表面反射光，与上表面反射光叠加形成“鬼像”，为后续重建工作带来了不小的挑战，直接影响到后续的精度。

不同于石膏、木材等漫反射材质，镜面及厚透面等光滑物体表面主要以镜面反射为主，即反射光线带有明显的方向性。倘若以投影仪作为调制光源，入射光线同样会携带方向信息，导致仅有部分光线经过物体反射后能够被相机采集，难以进行后续物体重建。而LCD显示屏这类漫反射属性光源光线发出的光线不具有方向属性，可以使相机尽可能完整采集调制图像来顺利进行后续重建。LCD显示屏作为系统调制光源的方法统称为偏折术成像，适合光滑表面的形貌测量，已有较为广泛的应用。

在偏折术成像中，从业者Wan等人提出了基于条纹频率优化和傅里叶变换的移频方法，从频域角度分离下表面反射分量，可以实现对厚透面的测量。但对图像采集要求过高，且易受直流分量和环境光干扰。另有从业者Ye等人提出了相位解耦方法，通过投影频移图像，直接解算出上表面相位，实现透镜形貌测量。但需要质量较高的迭代初始值，同样对光照较为敏感。且上述这两种方法均基于单目偏折术展开，而为解决深度歧义，单目偏折术需要获取包括被测物体在内的系统空间位姿，因此对设备安装精度要求高，在实际工业环境中难以保证。

此外，解决“鬼像”问题的难点还在于：传统相机仅仅采集光强信息，由于缺少光线方向维度，很难从相机采集的图像中直接分离上下表面反射光强。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广的基于单像素成像双目偏折术的物体形貌测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于单像素成像双目偏折术的物体形貌测量方法，其包括：

步骤S1：基于傅里叶单像素成像原理以及傅里叶中心切片产生多幅水平和垂直的傅里叶基频条纹图像；

步骤S2：通过显示屏显示生成的多幅水平和垂直傅里叶基频条纹图案，并通过相机采集经过待测物体表面反射而发生扭曲的傅里叶基频条纹图案；

步骤S3：基于单像素成像原理，对相机采集到的图像进行解算，分别获取两个相机成像平面上像素点对应的LTC水平投影和垂直投影曲线；

步骤S4：使用高斯函数分别拟合出LTC水平投影和垂直投影曲线峰值点坐标，组合为显示屏对应点坐标；

步骤S5：基于双目偏折术，通过求得的显示屏坐标，在双目偏折术框架下，迭代重建待测物体上表面三维点云及表面法线，通过波前重构算法得到待测物体表面三维形貌。