一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法

摘要

本发明公开了一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，包括如下步骤：计算机生成各种光栅图；将光栅图经投影仪散焦投影到被测目标上；用摄像机采集光栅图像；利用四步相移法求得主值相位；利用额外光栅图得到标准化后的辅助光栅图；利用灰阶码法对主值相位进行相位展开；对摄像机和投影仪进行标定，根据空间交汇法计算出三维坐标。本发明的有益效果为：测量速度达到投影仪的最大刷新频率，得到较大提升；投影仪无需非线性校正；增加一幅额外的二值光栅图，用来解相位的散焦辅助光栅图可以准确地转换为标准二值分布，从而得到求解绝对相位的精确灰阶码，克服了复杂表面目标绝对相位不精确的问题，提高了相位质量。

主权项

一种基于投影仪散焦解相位的光栅投影三维快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用计算机生成大小为M行N列的标准正弦光栅图像I，每点的灰度计算公式为：其中，I(i,j)为光栅图像I在第i行第j列处的灰度值，p为光栅条纹周期，为光栅的相移量；(2)I经抖动算法处理生成二值抖动光栅图D，D的大小与I相同；(3)利用计算机生成大小为M行N列的二值辅助光栅图G和一幅额外二值光栅图F，即：其中，F(i,j)为光栅图像F在第i行第j列处的像素值；(4)将二值抖动光栅图D、二值辅助光栅图G和额外二值光栅图F通过投影仪散焦投射到被测目标上，用摄像机采集变形光栅条纹，得到大小为r行c列的图像，其中D散焦后的正弦光栅可以表示为：I_n(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φ(x,y)+2πn/4]其中，n＝0,1,2,3，I_n(x,y)为第n幅图像的灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制强度，φ(x,y)为待求的主值相位分布，(x,y)表示变形光栅图像中各像素点的二维坐标，取值范围分别为：1≤x≤r,1≤y≤c；(5)利用四步相移法求解主值相位φ(x,y)：$\phi (x,y)=\arctan \left[\frac{\underset{n=0}{\overset{3}{\Sigma }}{I}_n(x,y)sin(2\pi n/4)}{\underset{n=0}{\overset{3}{\Sigma }}{I}_n(x,y)cos(2\pi n/4)}\right]$(6)将G散焦后的辅助光栅图G^d和F散焦后的额外光栅图F^d上所有像素点的值进行比较，得到标准化后的辅助光栅图G^nd可以表示为：$G^{nd}(x,y)=\left\{\begin{array}{ccc}1,& if& G^d(x,y)>F^d(x,y)\\ 0,& if& G^d(x,y)<F^d(x,y)\end{array}\right.,$其中，(x,y)表示光栅图中每个像素点的二维坐标；(7)对标准化后的辅助光栅图进行编码，通过对比就可以得到最细的光栅条纹，即相移光栅的周期次数，利用灰阶码法将主值相位进行相位展开得到绝对相位θ(x,y)：θ(x,y)＝φ(x,y)+2k(x,y)π,其中k(x,y)为整数，表示(x,y)点所处的光栅条纹周期次数；(8)对摄像机和投影仪进行标定，获取投影仪与摄像机的对应像素点对；根据空间交汇法求得目标物体的三维坐标信息。