[发明专利]一种交叉光轴光栅投影测量仿真系统及其实现方法

说明书

本发明公开了一种交叉光轴光栅投影测量仿真系统(所谓交叉光轴是该系统中投影机光轴和照相机光轴的相互位置是交叉的，克服了现有仿真系统中两光轴必须相交于一点的缺点)，以windows系统为开发平台，通过逆光线追迹法，运用计算机编程语言，通过编写光栅投影模块、模拟被测物体和工作台模块、图像采集模块，实现具有高精度的光栅投影测量仿真系统。该仿真系统不需要投影机光轴和照相机光轴相交于一点，能够实现交叉光轴式光栅投影测量系统的仿真。该系统能够仿真出物体在测量过程中阴影区域出现的位置，并且对物体表面上阴影区域的判别和工作台上阴影区域的判别应用了不同的判别方法，提高了阴影区域判别的精度和判别速度。

技术领域

本发明涉及一种交叉光轴光栅投影测量仿真系统及其实现方法，更确切的说，它是一种利用计算机仿真现实中光栅调制过程的一种结构光投影仿真系统，结构光测量领域。

背景技术

随着科学技术的快速发展、社会生产率的持续提升，各个领域对测量技术的需求也在不断提高，特别是对其测量方式、测量效率和测量精度的要求变得更加苛刻。随着计算技术的。光学测量技术和数字图像处理技术快速发展，三维形貌测量方法层出不穷。结构光测量技术凭借其非接触和高精度的优点，在众多的测量方法中脱颖而出。

传统的接触式三维测量技术，需要通过机械探针接触被测物体，通过出点获得物体表面精确的坐标信息。接触式三维测量技术有很多优点如测量精度较高，对被测物体的色泽没有要求，但是也存在很大的缺点如测量过程耗时较长，机械探针在跟物体接触的过程中会造成物体表面接触变形。更重要的是有些物体表面形状太复杂导致机械探针无法抵达，对于这类物体接触式三维测量技术对其就无法进行测量。

光学测量技术是一种非接触式三维测量技术，可以弥补以上接触式三维测量技术存在的缺点。光栅投影测量技术就是一种很有效的光学三维测量技术，它是通过将光栅投影到物体表面，经过物体表面的调制光栅造成形变，接着利用图像采集器捕获变形后的光栅条纹，最后经过解调即可得出物体的表面信息。由于该技术信息量大，高效率和高精确度而备受关注，具有广阔的市场前景。

为了运用条纹光栅投影系统(Fringe projection system，以下简称FPS)获取三维物体表面形貌信息，在实验之前最好采用仿真验证一下设计方案。仿真可以免除了搭建FPS平台的麻烦，而且仿真的速度更快，更灵活，而且可以方便他人使用。FPS 理论验证需要建立一个高精度光栅投影系统，图像采集器，实验设备校准装置等设。因此有必要开发一个FPS仿真系统作为替换。FPS仿真系统相比搭建FPS平台，不仅具有高速、经济的有点，而且具有更高的灵活性和精度，除此之外它还能为系统参数的设置和误差的分析提供很大的便利。

许多研究人员已经提出了基于条纹投影技术的光学仿真系统。在大多文献中所使用的仿真算法都主要是运用光线追迹技术。目前光线追迹法被广泛应用与光学仿真领域，但是光线追迹法还存在许多问题：首先，由于布尔联合的问题，使三维信息减小一维，从而产生两个问题，对三维物体的操作应规范化，机器运算的有限精度带来了线面交点计算的误差。引入简单的接近正则化规则可以忽略一些小的误差，但是会产生一些副作用。其次，由于浮点运算的局限性，许多常用的求交点算法存在一些明显的数值问题。特别是光线经过自由曲面，要通过复杂的算法，对不同的情况进行讨论。

研究物体表面对光栅条纹的调制过程，对于研究光栅的调制方法、研究系统参数对测量的影响、评价算法的优劣、确定合理的技术方案和系统结构具有重要意义。但是现今存在的光栅投影仿真系统的仿真方法都是建立在两光轴相交于一点的基础之上，如果依然用此类方法对交叉光轴的光栅投影测量系统仿真模拟，则仿真出来的结果图像会产生严重的形状畸变。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种交叉光轴光栅投影测量仿真系统及其实方法，用以解决以往光栅投影仿真系统存在结果图像形状畸变的问题。

本发明采用的技术方案是：一种交叉光轴光栅投影测量仿真系统，