结构光测量中获取高精度相位的新方法

作者:潘伟;赵毅;阮雪榆 刊名:光学学报 上传者:赵承平

【摘要】随着制造技术的快速发展 ,三维光学测量技术也得到迅速的发展 ,利用双目CCD(电耦合插件 )摄像机记录的光栅投影测量技术是一种新型的光学测量方法。在该方法的测量过程中 ,通过测量相位值取得测量空间。为了获得连续的高精度测量相位值 ,提出一种结合了格雷 (Gray)编码并能够优化相位精度的相移方法 ,该方法通过投影相位传递函数来优化测量相位值。为了消除光栅投影图像中非正弦、周期变化和其他干扰因素的影响 ,给出投影光栅一种新的光强函数 ,利用这个光强函数能够进一步提高投影光栅测量相位精度。最终 ,通过插值测量相位精度能达到亚像素级。

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1引言近年来,结构光测量技术已应用于汽车、航空航天、服装设计、模具制造等各个领域中,能灵活快速地测量对象的复杂表面。光栅投影测量方法是一种主动结构光测量方法,它存在的主要问题是投影技术。当前存在着多种光栅投影技术,如液晶显示(LCD)、数字镜像仪(Digitalmirrordevice,DMD)技术和专业投影仪技术等,但常用的主要有液晶显示和专业投影仪两种。普通的投影系统常常采用液晶显示。采用液晶显示成本比较低,但投影的对比度也较低(约为120),并且投影光的辐射大,投影视场的深度信息少。相对于其他投影方法,采用专业投影仪能获得分辨率更高的投影光栅。但光栅的实际光强函数很难计算,该函数与光栅模式及投影光源的光谱函数都相关。投影仪投影的光栅,在条件良好的情况下,能获得超过1100的对比度。然而,带动光栅产生相移的传动机构的运动,会造成光栅相移的对齐误差,光栅的衍射也能影响投影光栅的模式,这些都会造成不利影响[1],为了获得高测量精度,需要消除这些影响。光栅投影测量技术的投影要求有高的对比度、光强和良好的正弦光强函数。但当前没有足够好的技术能投影出高质量的正弦光栅模式,为了弥补光栅投影技术的不足,提出一种新的提高相位测量精度的方法。2光栅投影测量原理2.1格雷编码光栅对于相机记录的一幅连续光栅图,能够直接确定光栅条纹数。但当仅记录了部分光栅或记录的光栅不连续时,就无法直接确定光栅条纹数。采用光栅编码能够解决这个问题。常使用的编码方法是格雷编码,它是格雷[2]在1953年研究数字通讯的数模和模数转换中提出来的。光栅编码是将一系列栅距不同的光栅图像连续投影到测量对象上获得多幅图像,将视场空间分割成2的n次方份,每一份空间可用一个二进制码来表示。通过编码对应每个像素获得一个亮度值矢量,该矢量用来确定光栅条纹数Z。2.2三角测量法光栅投影测量计算的基本原理是三角测量法,三角法基于三角形中角和边的关系计算测量值。三角测量法在平面和三维情况下计算都不很复杂[3]。在测量过程中,当投影仪投影光栅到对象表面时,投影的每一条光栅在空间定义一个平面,称为投影平面(如图1)。由双目CCD相机记录经测量对象调制的变形光栅,记录图像中的每个像素定义一条光线,这是一条由相机透射中心和相应物点连接成的直线,称为相机射线(如图1)。根据标定参量、相位值和其他图像坐标值,应用三角法计算相机射线和投影平面的交点,即对象表面点的三维坐标值。与单目CCD相机测量不同,采用双目CCD相机要找到不同相机间的匹配对应点。这样不仅能省去投影光源的标定过程,而且可以提高测量的精度。Fig.1Binocularcameraandprojectormeasuringsketchmap3光栅投影的相移方法在精度要求不高的光栅投影相位计算中,可以采用格雷码获得图像点的相位值,但格雷码的缺点是离散性,每一条光栅有一个离散值,因此仅能进行有限的条纹数编码。对于高精度的测量,需要获得更多位的编码值,这就需要采用相移方法[4]。相移法获得相位值的方法有多种,比较常用的是采用四幅相位变化图(如图2)的相移方法。该方法具有能消除背景项和检测器的非线性及常数项影响的优点[5]。对应每个像素可以得到一个强度矢量,应用该矢量能计算出像素的相对相位值。在相移的一个周期内,是唯一的。Fig.2Fourphaseimageofphaseshift下面给出传统四步法相移90的相位计算公式[6]:=arctanI1-I3I2-I4,-<(1)Ii(i=1,2,3,4)为光强。通过格雷码获得的光栅数Z和相移法确定的相对相位值能表示出绝对

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