[发明专利]三维形貌中心摄动复合光栅投影测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及在光学三维形貌测量、结构光技术。在结构光法中，为了提高光栅投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码。本发明涉及用于镜面反射物体三维形貌测量中的编码方法及测量装置。具体讲，本发明涉及三维形貌中心摄动复合光栅投影测量方法及装置。

背景技术

光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触的优点在高速检测、产品开发、质量控制、反向工程、CAD/CAM等领域得到了广泛的应用和发展。但是，现有成熟技术中，光学三维测量主要针对漫反射物体，而难以有效的测量镜面物体。然而，在实际生产和科研中，存在大量镜面物体，比如光学制造领域的光学元件表面，抛光模具，镜面等反射成分占支配地位的物体表面。目前，这类物体的测量一般采用两种方法：一种方法是采用坐标测量机，这种方法对被测物体有划伤；另一种是喷涂其表面，改变其镜面反射的性质，这种方法无疑会增加测量误差。镜面物体的三维测量已严重落后于快速增长的需求。

近年来，在光学三维测量领域中结构光法得到了深入的研究。在镜面测量系统中，由LCD显示器向被测物体表面投射光栅，经被测物体表面调制后，被CCD摄像机接收。根据采集到的变形图像可以得到被物体面型调制的相位分布，由三维重建算法可以得到物体的三维面型。为了提高光栅投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码。在结构光法中，傅里叶变换轮廓术和相位测量轮廓术都可以使用正弦光栅。傅里叶变换轮廓术只需一幅光栅图像即可得到相位分布，此方法适合于动态测量，但是，由于频谱混叠的影响使其精度降低。相位测量轮廓术有较高的测量精度，但其需要向被测物体连续投射多幅图像，这影响了测量的速度。传统的复合光栅在一幅光栅图中包含了多幅相移光栅图，但从相移光栅中得到正确相位分布的效率不高。

如何提高编码光栅的分辨率和抗干扰能力，在光学三维形貌测量作用起到至关重要的作用。因此，研究一种测量速度快且测量精度高的编码方法，具有重要的理论和现实意义。

发明内容

为克服现有光栅编码方法的不足，提供一种用于类镜面物体三维形貌测量的中心摄动复合光栅投影法、装置，以提高光学三维测量的编码光栅的分辨率和抗干扰能力，提高光学三维测量速度的同时又不降低测量精度，本发明采取的技术方案是，三维形貌中心摄动复合光栅投影测量方法，包括如下步骤：用四个不同频率的载波光栅分别调制与其方向垂直的四帧相移正弦光栅，其中对第四帧相移正弦光栅的中心条纹的亮度进行改变，叠加形成中心摄动复合光栅；用LCD显示器投射中心摄动复合光栅到被测物体上得到受物体面型调制的变形光栅；对变形光栅进行二维傅里叶变换，用合适的带通滤波器滤波，然后进行傅里叶逆变换并取模值，得到变形的相移光栅条纹；针对频谱混叠，对相移光栅条纹的背景和对比度进行校正；针对滤波过程的影响，对相移光栅条纹的相移量进行校正；最后利用改进的四步相移法求得折叠相位，根据加入的摄动信息，得到受被测物体面型调制的相位分布。

中心摄动复合光栅的叠加形成，进一步细化为：四个载波频率的倒数呈等差数列；四帧正弦光栅相移条纹采用满周期等相移法，即相邻正弦光栅相移条纹的相移量为π/2；对第四帧正弦光栅的中心条纹的亮度进行改变，使位于中心的条纹包含有不同于其他条纹的编码信息，形成摄动信息。

对相移光栅条纹的背景和对比度进行校正具体为：从参考平面的中心摄动复合光栅像中解调获得各帧正弦光栅相移条纹，通过频域滤波获取条纹的基频分量，计算出各帧相移条纹相对于第一帧相移条纹的背景和对比度的比例系数，并以此系数对实物测量时解调出来的各帧变形正弦光栅相移条纹的背景和对比度进行校正。

对相移光栅条纹的相移量进行校正具体为：首先，从参考平面的中心摄动复合光栅中解调出各帧正弦光栅相移条纹，通过频域滤波的方法获得条纹的基频分量，计算出各帧正弦光栅相移条纹相对于第一帧的相移量，然后在实物测量时以此相移量对解调出的各帧变形相移条纹的相移量进行校正。

带通滤波采用窗口法中的hanning窗滤波。

利用改进的四步相移法求折叠相位φ(x，y)的公式为：