专利名称：基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种轮廓测量的方法，尤其涉及一种基于旋转拼接的双频光栅投影
三维轮廓测量的方法。
背景技术：
在现代测量中，物体三维轮廓的测量有着重要的意义。随着物体三维轮廓的非接触检测技术在自动控制、在线检测、逆求工程、复杂物体三维建模、医学诊断、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、机器人及许多生产过程中越来越广泛的应用。人们对三维轮廓测量的要求也越来越高，其应用领域也在不断扩大。如汽车车身、船用螺旋桨叶和飞机发动机过渡段的形状检测等。当前，物体三维轮廓测量技术是信息技术的研究热点。其中，光栅投影法和傅里叶变换轮廓术由于易于实现，数据处理易于自动化，具有较快的速度和较高的测量精度，成为三维轮廓测量的理想方法，在三维轮廓测量中有着重要的意义。但是前期的研究表明，它具有如下的局限性。第一当测量物体存在突变时，单一频率的光栅投影，由于突变处条纹重叠或物体表面阴影导致的条纹图样的不连续性，将导致叠相还原过程无法准确进行。第二由于视场的原因，不能测量大面积的物体，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。第三傅里叶变换轮廓术中，难以实现全自动的滤波，滤出需要的频率分量必须经过不断试错才能得到最准确的滤波器参数， 一般采用人机交互的方式，限制了该方法的实用化。第四目前的光栅投影法一般采用计算机生成电子光栅，通过投影仪进行投影。投影系统一般比较大，不便于携带，也不便于改变投影方向。而且采用计算机进行信息处理，速度不够快。
为了解决以上问题，同时采用双频光栅投影和傅里叶变换方法，进行物体三维轮廓测量的研究。研究双频光栅傅里叶轮廓术的理论模型；研究改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型。并对具体的台阶状的物体进行仿真和实验研究。在理论上丰富和建立双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型，在应用上成功解决有突变面形和投影时具有阴影的物体的三维轮廓测量问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，该方法通过软件编程来产生双频光栅，因此能够非常灵活地生成各种不同灵敏度的双频光栅，以满足不同台阶状面形的要求。 本发明是这样来实现的，其特征是通过软件编程将两种不同频率的正弦电子光栅合成为双频光栅，通过光学投影系统将双频光栅投影到物体表面上，在物体的表面生成了变形光栅，将变形光栅成像在摄像机上，由于投影光路是斜向的，物体的表面存在部分光照不到的区域而出现阴影，为了消除阴影，将放在旋转平台上的物体旋转180度再成一张像，然后将拍的两副图像通过图像拼接技术拼接起来，得到一副没有阴影的照片，利用角点检测技术找特征点，通过特征点并结合Levenberg-Marquardt优化算法得到图像变换矩阵，并利用双线性插值算法进行坐标变换实现图像拼接，对拼接后的图像采用双频光栅傅里叶变换轮廓术进行信息处理，以计算机作为信息处理中心，对图像进行傅里叶变换后，在频域中这两个频率成分相分离，提取相应的成分，就可以获得两种不同灵敏度的测试结果，由粗光栅测量出物体非连续的突变部分的大致轮廓，由精细光栅得到物体突变前后各部分的精确轮廓，将两者结果合成得到含有突变面形物体的精确形貌。
本发明所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术，其特征是截断相位为2Jifx+小(X， y)，傅里叶逆变换后的相位范围在-n n之间，得到的是截断相位，相位解包裹分为两步首先对第一个原因进行解包裹，再对第二个原因进行解包裹。然后求相位差，再利用高度和相位差的关系得到物体的高度，从而得到物体的三维轮廓。
本发明所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术可由改进型的傅里叶变换轮廓术代替。 本发明所述的改进型的傅里叶变换轮廓术，其特征是在对信号进行傅里叶变换之后，不对频谱部分频移，直接滤出需要的高、低频部分，再分别进行傅里叶逆变换，求出物体表面相位后，再与基准面的相位相减，就可以得到与高度有关的相位差，该方法对于对频域而言，相当于对不在原点的频谱直接逆变换，根据频移定理，
/(*'2*' <^""fUXw' w。)，収对数，再取虚部后，相位2nfx+4)(x， y)，同样也可求得基准面的相位为2 Ji fx+小。(x， y)，两者相减就将2 Ji fx消掉了 。 本发明的优点是1、双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现。易于实用化，速度快，测量精度高；2、改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现，减少了计算量，速度快，提高了滤波的精度；3、通过旋转图像拼接，可以测量台阶状有阴影的物体的三维轮廓测量问题，并且具有较高的测量速度和测量精度。
图1为本发明的一截面傅里叶变换后的频谱图。图2为本发明的高频谱经傅里叶逆变换后的截断相位图。图3为本发明的低频谱经傅里叶逆变换后的截断相位图。图4为本发明的高频截断相位解包裹图。图5为本发明的低频截断相位解包裹图。图6为本发明的高频基准面相位图。图7为本发明的低频基准面相位图。图8为本发明的高频截断相位差值图。图9为本发明的低频相位差值图。图10为本发明的通过低频辅助还原出的高频相位差值图。图11为本发明的一截面的还原图。
具体实施例方式
z屈> z本发明是这样实现的Z = V~ = f (-股/2<) = W
4
其中cj)BD =小d是物体表面上D点与基准面B点的相位差，
A —
'是与
光路结构有关的系数。
本发明实验包括两个部分
1图像拼接部分 采用图像的区域的黑白对比度定义，确定拼接图像的共同的中间部分。然后利用角点检测技术在共同的中间部分中确定8个对应的角点，利用图像间的变换关系和Levenberg-Marquardt优化算法得到两图像间的变换矩阵，利用双线性插值算法进行坐标变换实现图像拼接。区域的黑白对比度是以图像P第i行为中心线，上下各取宽度为k行的区域a和区域b，根据上式，第i行区域的黑白对比度可以用公式l定义
(1) 式中Di表示图像P第i行的区域黑白对比度，4tm表示图像P第(i-t， m)个象素点的灰度值，c^m表示图像P第(i+t， m)个象素点的灰度值，L为图像P的列宽。
2采用改进型的傅里叶变换轮廓术进行信息处理过程 得到完整的光栅条纹图像后，对图像进行信息处理。这里采用了傅里叶变换轮廓术，对任意一个横截面进行853点傅里叶变换，所得频谱如图1所示。图1中，横轴表示傅里叶变换的点数，和图像的列数相等；纵轴表示傅里叶变换的频谱幅度。设计滤波器把频谱中的低频、高频部分滤出，分别进行853点傅里叶逆变换，高频部分经过傅里叶逆变换后得到的截断相位如图2所示，低频部分经过傅里叶逆变换后得到的截断相位如图3所示。从图2和图3可以看出得到的相位在-Ji Ji之间，对其解包裹分别得到如图4和图5所示的相位。其中低频部分由于在突变处只有一个周期，故图5的相位就是真实相位，而高频部分由于在突变处有可能有多个周期的存在，还需要进一步解包裹。高、低频基准面的相位分别如图6和图7所示(本实验采用物体最低的台阶所在平面作为基准面)，然后分别用高、低频的真实相位减去对应的基准面的相位，便可得到它们表面与基准面的相位差如图8和图9所示。由于高频光栅在物体突变位置有多个周期，故现在所求的只是高频光栅在突变位置的截断相位差，还要根据式
n2 二 (:/,v7，V"j-」-"t .+.
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A炉；(x,》')—A，2 (:， > )
，利用低频光栅的相位差辅助解出高频光
栅的真实相位差，可得到物体的截面相位如图10所示。由于对于完整的光栅条纹图规定从左到右相位总是增加的，所以图8，图9，图10的相位一直在增加。但是由于右边部分是拼接而来的，右边部分已经旋转了 180度的，所以它的相位应该是减小的。所以在出现第三个相位跳变时应该将后面的相位翻转下来。然后再乘以高频光栅的光路系数^=Z。/(X。2 Ji f2) = 1.15mm/rad，即得物体某一截面的真实形貌如图11所示。图11中横轴表示图像的列数，单位为象素；纵轴表示物体的高度，单位为mm。最后扩展到三维即得物体真实形貌如图11所示。
3实验结果分析 按照式Z = kA小可以算得第一个台阶高度为^ = 16.10mm，第二个高度为h2=24.725mm。台阶高度的实际值第一个台阶高度的实际值为= 16.00mm，第二个
5高度h2 = 24.50mm。
误差为0.10mm和0.225mm ;相对误差为0.625%和0.918% 。 投影仪的相素大小约为7umX7um，光路系数为Z。 = 121.3cm， X。 = 43.8cm， f2为3.846/
权利要求
一种基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，其特征是通过软件编程将两种不同频率的正弦电子光栅合成为双频光栅，通过光学投影系统将双频光栅投影到物体表面上，在物体的表面生成了变形光栅，将变形光栅成像在摄像机上，由于投影光路是斜向的，物体的表面存在部分光照不到的区域而出现阴影，为了消除阴影，将放在旋转平台上的物体旋转180度再成一张像，然后将拍的两副图像通过图像拼接技术拼接起来，得到一副没有阴影的照片，利用角点检测技术找特征点，通过特征点并结合Levenberg-Marquardt优化算法得到图像变换矩阵，并利用双线性插值算法进行坐标变换实现图像拼接，对拼接后的图像采用双频光栅傅里叶变换轮廓术进行信息处理，以计算机作为信息处理中心，对图像进行傅里叶变换后，在频域中这两个频率成分相分离，提取相应的成分，就可以获得两种不同灵敏度的测试结果，由粗光栅测量出物体非连续的突变部分的大致轮廓，由精细光栅得到物体突变前后各部分的精确轮廓，将两者结果合成得到含有突变面形物体的精确形貌。
2. 根据权利要求1所述的基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，其特征 是所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术，截断相位为2Jifx+小(x， y)，傅里叶逆变换后的 相位范围在-n n之间，得到的是截断相位，相位解包裹分为两步首先对第一个原 因进行解包裹，再对第二个原因进行解包裹。然后求相位差，再利用高度和相位差的关 系得到物体的高度，从而得到物体的三维轮廓。
3. 根据权利要求1所述的基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，其特征 是所述的双频光栅傅里叶变换轮廓术可由改进型的傅里叶变换轮廓术代替。
4. 根据权利要求3所述的基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，其特征 是所述的改进型的傅里叶变换轮廓术，在对信号进行傅里叶变换之后，不对频谱部分频 移，直接滤出需要的高、低频部分，再分别进行傅里叶逆变换，求出物体表面相位后， 再与基准面的相位相减，就可以得到与高度有关的相位差，该方法对于对频域而言，相 当于对不在原点的频谱直接逆变换，根据频移定理，/(*)^'2*<^,)〗，取对数，再取虚部后，相位2Jifx+小(x， y)，同样也可求得基准面的相位为2Jifx+(K(x， y)，两 者相减就将2Jifx消掉了。
全文摘要
一种基于旋转拼接的双频光栅投影三维轮廓测量的方法，其特征是通过软件编程将两种不同频率的正弦电子光栅合成为双频光栅，通过光学投影系统将双频光栅投影到物体表面上，在物体的表面生成了变形光栅，将变形光栅成像在摄像机上，由于投影光路是斜向的，物体的表面存在部分光照不到的区域而出现阴影，为了消除阴影，将放在旋转平台上的物体旋转180度再成一张像。本发明的优点是1、双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现。易于实用化，速度快，测量精度高；2、改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型及算法实现，减少了计算量，速度快，提高了滤波的精度；3、通过旋转图像拼接，并且具有较高的测量速度和测量精度。
文档编号G01B11/24GK101691997SQ20091011589
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者伏燕军, 何兴道, 柴明钢, 邹文栋 申请人:南昌航空大学