[发明专利]一种大范围反射率变化物体的高速三维测量方法

摘要

一种大范围反射率变化物体的高速三维测量方法，包括以下步骤：步骤1，将投影条纹的光强设为最大，提高条纹图像的信噪比；步骤2，将12幅条纹图像转换为二值化条纹，提高投影仪的刷新频率，实现高速投影；投影仪离焦处理以滤除二值条纹的高次谐波；步骤3，利用投影仪本身的彩色光投影，得到不同亮度的条纹序列；步骤4，CCD相机采集48幅条纹图像，选择灰度值最大但不饱和的像素，组成用于三维重建的最优条纹图像；步骤5，利用四步相移法和三频外差法相结合的解相位，对最终条纹图像进行相位信息计算；该方法具有测量速度快、测量精度高、算法简单、和易于扩展的特点。

主权项

1.一种大范围反射率变化物体的高速三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将投影条纹的光强设为最大，投影过程中不做调整，提高条纹图像的信噪比，根据公式(5)，将参数a和b设置为最大，即127，减少环境光A的影响，以确保较大的条纹调制度γ和条纹良好的信噪比；根据四步相移法和三频外差法获得相位信息，因此，需要生成12幅正弦或余弦灰度变化的条纹图像；式中，γ为条纹调制度，反映条纹图像的质量，γ越大，条纹信噪比越高，越有利于相位计算，γ最大为1；步骤2，根据数字投影仪DLP LightCraft 4500的特点，利用条纹二值化方法，将12幅正弦或余弦灰度变化的条纹图像转换为二值化条纹，提高投影仪的刷新频率，实现高速投影；同时，对数字投影仪进行离焦处理，即调整数字投影仪的焦距，以滤除高次谐波；光栅条纹图像为f(x,y)，数字投影仪离焦后的条纹表示为g(x,y)，离焦后的数字投影仪的点扩散函数可以写成二维高斯函数，式中，h(x,y)为二维高斯函数，σ为高斯函数的标准差，DLP离焦后的二值化条纹可以表示为g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)   (7)式中，符号“*”为卷积算子，傅立叶变换应用于公式(7)，频域的表达式为G(u,v)＝F(u,v)H(u,v)   (8)式中，F(u,v)为f(x,y)频域表达式，u,v代表两个方向上的频率，由于H(u,v)为一个高斯函数，根据高斯函数的特性可知，离焦光学系统等效于一个低通滤波器，它可以滤除高次谐波分量，滤波器的宽度主要由σ决定，σ＝kR，k是大于零的比例系数，R是模糊圆的半径，模糊圆的半径R采用公式(10)获得，式中，f为投影仪的焦距，u₁为物体距离，s为模糊圆到投影仪镜头的距离，即离焦的距离，D为投影仪镜头的直径，薄透镜的成像公式(11)为：f^‑1＝u^‑1+v^‑1   (11)将公式(11)代入公式(10)，可以得到模糊圆的半径另一种表达形式：根据公式(12)可以看出，σ与R和s成正比，离焦距离s越大，σ越大，滤波器越窄，滤波器的高次谐波越多，离焦距离s越小，σ越小，滤波器越宽，滤波器的高次谐波越少；步骤3，利用投影仪本身的彩色光投影，得到不同亮度的条纹序列，从多组条纹图像序列中选择灰度值最大但不饱和的像素，组成用于三维重建的最优条纹图像；具体做法是：数字投影仪DLP LightCraft 4500要求二值化条纹图像数量不能超过48幅，选择四种颜色光进行投影，分别为蓝色光投影、黄色光投影、青色光投影和白色光投影，每个色彩投影12幅二值化条纹图像，即四步相移和三频外差，共4步*3频＝12幅条纹图像；步骤4，CCD相机采集48幅条纹图像，即蓝、黄、青和白色光分别投影12幅，共计48幅；并对每一像素点逐一最优提取，组成最终的一套条纹图像；具体做法是：从蓝光投影条纹中提取第一行和第一列像素点，构成1×12矩阵；如果1×12矩阵中的每个灰度值小于255，则可以把1×12矩阵看作候选矩阵，但不确定该候选矩阵是否是最优的；基于上述方法，还可以识别其他三个彩色光投影条纹的1×12矩阵是否是候选矩阵，并从候选矩阵中选择灰度值相对最大的作为最终结果；步骤5，利用现在已经很成熟的四步相移法和三频外差法相结合的解相位，对最终条纹图像进行相位信息计算。