[发明专利]三维表面测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维测量技术，特别是有关于三维表面测量的方法和系 统。

背景技术

物体表面的三维测量技术在工业设计、制造、检测等领域应用广泛。近 年来其应用还扩展到产品仿制、逆向工程、快速原型、人体测量、影视动画、 虚拟现实等领域。

在申请号为03153504.6的中国申请中，公开了清华大学申请的一种测量 物体表面三维轮廓的方法，其包括：利用相位和立体视觉技术的结合，在物 体表面投射光栅，再采用双摄像机拍摄发生畸变的光栅图像，然后利用编码 光和相移方法获得左右摄像机拍摄图像上每一点的相位；最后利用相位和外 极线实现两幅图像上的点的匹配，从而达到对物体表面点三维坐标的反求。 该对比文件中所称的“光栅”，本文称为“图案”，对比文件中所称的“外极 线”，本文称为“极线”。

具体地，对比文件使用二进制黑白条纹编码和90°相移正弦灰阶条纹来 实现三维测量，其关键技术包括两点：其一是二进制黑白条纹编码，其二是 90°相移正弦灰阶条纹。二进制黑白条纹编码用“黑”和“白”来表示“0” 和“1”，用1幅黑白条纹图案可为图案中各点赋予1位二进制位，用2幅黑 白条纹图案可为图案中各点赋予2位二进制位，以此类推，用n幅黑白条纹 图案可为图案中各点赋予n位二进制位。在其实例中，共用7幅编码图案， 构造方法为第1幅为半黑半白，以后各幅逐次细分，细分方法为上一幅的黑 色部分被分为半黑半白，白色部分被分为半白半黑。7幅编码图案可得27个 编码序列，将整个图案区域分为27个长条。

n幅编码图案虽然可以区分图案中2ⁿ个不同的条形区域，但是同一个区 域内的点却无法区分，使得测量的分辨率受到限制。为了提高分辨率，遂提 出相移方案，即在编码图案的基础上再增加相移图案。相移图案也是黑白条 纹，不过其灰阶是连续变化的，条纹的周期一般等于编码图案中最窄条纹的 宽度。在其实例中，相移图案共有4幅，其灰阶均为连续正弦波变化，4幅图 案的相位依次相差90°。由相移图案的特性即可得到对比文件中公开的相位 计算公式。

根据上述二进制黑白条纹编码技术和相移技术，可以为光栅覆盖区域内 的任意一点赋予一个编码值和周期内相位值，两者结合即可得到相位值。有 了该相位值，再结合计算机视觉邻域中的极线约束关系就可以匹配两个摄像 机图像中的点，然后根据三角测量原理，就可以得到物体表面点的空间坐标。

在其实例中，由7幅编码图案加上4幅相移图案构成了一次测量中总共 需要投射的11幅图案，这样完成一次测量每一个摄像机均需成像11次，在 此期间测量设备和待测物体之间不能发生相对运动。

这种三维测量方法虽然具有精度高、广泛适用的优点，但也存在以下缺 点：

首先，对比文件中的方法需要使用多幅投射图案，这样完成一次测量就 需要多次成像，限制了测量速度的提高。

其次，多次成像的时间无法做到很短，使得测量期间测量设备和待测物 体之间的相对运动无法忽略，因此需要使用三脚架等固定装置使测量设备保 持固定，增加了操作的复杂度。

再次，该方法需要对整幅图像逐点计算编码和相位，存储这些编码和相 位也需要大量的存储空间，因此其时间和空间复杂度都比较高。

事实上，许多三维测量应用对测量的速度要求高，且要求使用简单，现 有的对比文件中的技术不能满足这一类要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维表面测量方法，以解决现有技术不能满 足测量速度高且操作简单的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种三维表面测量系统，以解决现有技术不 能满足测量速度高且操作简单的技术问题。

一种三维表面测量方法，用于测量物体表面点的空间坐标，由以下步骤 组成：

(1)向物体表面投射一均匀分布的面状光点图案，所述图案中光点之间的 距离满足其像点的平均失配度小于预设的失配度阈值；

(2)从至少两个角度获取物体表面光点的图像；

(3)匹配光点在各个图像中的像点；

(4)计算并保存光点的空间坐标；

(5)改变测量位置，继续进行步骤(1)-(4)，直至还原出待测对象。