[发明专利]采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性

说明书

一、技术领域

本发明涉及光学三维传感技术，特别是涉及基于位相测量轮廓术方法的采用颜色编码的正交复合光栅实现对物体的实时三维面形的测量。

二、技术背景

三维面形测量，在机器视觉、生物医学、工业检测、快速成型、影视特技、产品质量控制等领域具有重要意义。光学三维传感技术，由于其具有非接触、精度高、大面积测量、易于自动控制等优点获得广泛的研究和应用。现有的光学三维传感方法主要包括：三角测量法、莫尔条纹法(MoiréTopography，简称MT)、傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)、空间相位检测术(Spatial Phase Detection，简称SPD)、位相测量轮廓术(Phase MeasuringProfilometry，简称PMP)等，这些方法都是通过对受三维物体面形调制的空间结构光场进行解调制，来获得物体的三维面形信息。其中最常用的空间结构光场三维传感方法是傅立叶变换轮廓术和位相测量轮廓术。傅里叶变换轮廓术是通过对变形条纹图像进行傅里叶变换、频域滤波和逆傅里叶变换等步骤实现的。傅里叶变换轮廓术只需要用一帧条纹图来重建三维面形，实时性较好，可以用于动态过程的三维传感；但由于其涉及到滤波操作，频谱混叠会降低测量精度，该方法对环境光也比较敏感。位相测量轮廓术则需要从多帧相移条纹图形来重建三维面形，具有很高的精度，但由于采用多次相移，实时性较差。基于正交复合光栅的位相测量轮廓术综合了位相测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术的优点，使用一帧条纹就可以重建物体的三维面形，并能达到较高的精度要求；但该方法由于从一帧条纹中提取三帧以上的相移条纹，受到投影系统和成像系统空间带宽积的限制，解调出来的相移条纹具有较小的灰度动态范围，降低了位相提取和三维测量的精度，应用本发明提及的方法就可以解决这一关键技术难题。

三、发明内容

本发明的目的则是针对对一帧正交复合条纹进行解码相移条纹灰度变化范围较低的缺陷，提出一种在三维传感技术测量中采用颜色编码提高正交复合光栅位相测量轮廓术的动态特性的方法。这种方法能非常好地做到扩大相移条纹的灰度域，实时获得物体表面变形条纹分布的图像信息，具有较高的测量精度，能真正地实现动态和瞬态测量。

本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：

采用计算机设计编码产生所需要的彩色光栅图案，即对透射光场进行面结构和颜色编码，然后运用彩色数字投影设备将光栅图案投影在物体上，降低了正交复合光栅位相测量轮廓术对系统空间带宽积的要求。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明使用颜色编码的正交复合光栅，扩大了相移条纹的灰度域，提高了正交复合光栅位相测量轮廓术的测量精度。

2.同样是获取一帧变形条纹图案，本发明相比傅立叶变换轮廓术具有更高的测量精度；而相比位相测量轮廓术则不需要进行相移，以及不需要采集多帧变形条纹图案。

3.本发明通过计算机软件可以灵活设计所需要的彩色光栅编码，因此可以在很短的时间内得到所需要的光栅图案。

四、附图说明

图1位相测量轮廓术的光路示意图。

图2通过计算机设计编码的彩色正交复合光栅。

图3受到物体面形调制的彩色正交复合光栅变形条纹。

图4用上述技术方案恢复的物体。

五、具体实施方式

下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。

先说明用正交复合光栅位相测量轮廓术实现实时三维面形的测量。用正交复合光栅实现实时三维面形测量的光路与传统的位相测量轮廓术的光路相似。图1是PMP方法的投影光路，P₁和P₂是投影系统的入瞳和出瞳，I₂和I₁是成像系统的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴的夹角为θ，它们相交于参考平面上的O点，d为探测器光心到投影设备光心之间的距离，l为探测器光心到参考平面之间的距离。

用计算机设计一组满周期等步相移光栅，其投影强度像表示为：