一种基于结构光的远距离高速形面测量方法

1.本发明属于三维测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于结构光的远距离高速形面测量方法。


背景技术：

2.相机标定是利用二维平面信息及少量三维空间信息解析物点与对应像点几何关系的过程，在几何测量与定位、三维重构等任务中具有重要作用。相机标定技术主要围绕成像模型与参数标定两大方面展开，根据解析出的几何模型可以实现对三维空间的识别与描述。传统标定方法是基于预先设置的成像场景构建标定模型，在场景几何约束基础上选取最优算法实现相机参数解算，包括基于参照物、主动视觉及自标定方法等。
3.随着高速相机、dlp投影仪、图形处理器等硬件设备的发展，以及二值离焦测量技术的提出，远距离高速形面测量对于三维测量技术而言具有重要意义。但是传统标定方法面临着普适性、稳定性较差等问题，不适用于高速形面测量的场合。
4.综上所述，对于高速形面物体测量，需根据特定应用场景提出一种灵活可靠的标定方法。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，具体包括以下步骤：
7.步骤s1：对高速相机与dlp投影仪进行标定，搭建近距离dlp投影测量系统；
8.步骤s2：使用标定好的近距离dlp投影测量系统对物体进行测量，获取被测物体精确的初始表面绝对相位与初始高度信息；
9.步骤s3：使用平面靶及导轨对近距离dlp投影测量系统x-y方向标定和z方向位置进行标定；
10.步骤s4：使用高速相机与机械投影仪搭建远距离机械投影测量系统，结合步骤s2获取的初始高度信息拟合出高度-相位映射关系，辅助完成对远距离机械投影测量系统的联合标定；
11.步骤s5：利用步骤s1中近距离dlp投影测量系统生成的相移式结构光，dlp产生多频相位，获取绝对相位信息；再利用系统联合标定的公式获取机械投影光栅的初始相位；
12.步骤s6：使用标定好的远距离机械投影测量系统捕捉物体的动态过程，通过ftp技术及高度-相位映射获取被测物体的形变量。
13.优选的，定义dlp投影仪像素坐标x
p
，高速相机像素坐标(xc,yc)，高速相机内参矩阵ac，高速相机外参矩阵[rc,tc[，透视变换矩阵pc，世界坐标(xw,yw,zw)。
[0014]
优选的，所述步骤s1中对高速相机与dlp投影仪进行标定，搭建近距离dlp投影测
量系统，具体为：固定高速相机与dlp投影仪的位置，将一平面标靶置于高速相机视场内，dlp投影仪打在平面标靶上，高速相机获取不同位姿的靶标图像，建立对应dlp投影仪像素坐标x
p
与高速相机像素坐标(xc,yc)的线性关系式：采用小孔成像模型，基于高速相机内参矩阵ac，高速相机外参矩阵[rc,tc]，透视变换矩阵pc，得到世界坐标(xw,yw,zw)与高速相机像素坐标(xc,yc)、dlp投影仪像素坐标x
p
之间的关系：
[0015][0016]
优选的，所述步骤s2具体为：选定一个初始位置，采用dlp投影仪投射相移光栅，获取初始位置的表面绝对相位信息φ0(u,v)，再利用标定好的世界坐标与像素坐标之间的关系获取初始高度信息h0(u,v)。
[0017]
优选的，所述步骤s3具体为水平x-y方向采用棋盘格进行标定，垂直z轴使用导轨进行标定；利用一系列已知位移的平面，沿着z轴方向进行移动；根据不同的位置，拟合出公式中；
[0018][0019]
该公式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a1、b1是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ1(u,v)是使用近距离dlp投影测量系统的绝对相位。
[0020]
优选的，所述步骤s4具体为，使用机械投影仪与高速相机，在步骤s3中同样位置放置一系列相同的平面靶，z轴方向上与步骤s3中是相同的，在此步骤中使用ftp求取各个位置中的平面绝对相位；利用一系列已知位移的平面；沿着z轴方向进行移动；利用不同的位置，拟合出公式：
[0021][0022]
该公式表示远距离机械投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a2、b2是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ2(u,v)是使用远距离机械投影测量系统的绝对相位。
[0023]
优选的，所述步骤s5中，系统标定的公式为：
[0024][0025]
其中：是dlp投影仪的绝对相位，为机械投影光栅的物体绝对相位；为高度信息；第一个等式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射，以辅助完成上述系统联合标定公式的拟合。
[0026]
优选的，所述步骤s5具体为，机械投影仪结合ftp技术获取包裹相位，然后以初始相位为参考求取精确的绝对相位；最终通过高度-相位映射获取被测物体的形变量。
[0027]
采用以上技术方案的有益效果是：
[0028]
1、本发明提供的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，通过采用双投影仪与高速相机系统结构，能够在保证测量精度的同时实现连续测量。这种组合结构和连续测量的能力，确保了测量结果的准确性和稳定性。
[0029]
2、本发明提供的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，采用了远近系统联合标定和相位精确求取技术，以确保在高噪声环境下的测量可行性。通过标定系统参数和使用精确的相位求取技术，可以消除系统误差和噪声的影响，从而获得可靠的测量结果。
[0030]
3、本发明提供的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，采用结构光技术，相对于传统的测量方法，可以实现非接触式、快速高效的形面测量。结构光投影和相位求取技术能够在较短的时间内捕获大量的数据，并可实时处理和分析，从而提高测量效率。
附图说明
[0031]
图1为本发明的基于结构光的远距离高速形面测量系统结构图；
[0032]
图2为本发明的基于结构光的远距离高速形面测量系统技术路线图；
[0033]
图3为机械投影仪不同离焦程度下的二进制光栅示意图；
具体实施方式
[0034]
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
[0035]
如图1至图3所示，本发明是一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，高速相机，拍摄速率达1000000帧/秒；dlp投影仪；结合场景设计的机械投影仪组件，光源运用的是激光，以实现高速远距离测量要求。具体包括以下步骤：
[0036]
步骤s1：固定高速相机与dlp投影仪的位置，将一平面标靶置于高速相机视场内，dlp投影仪打在平面标靶上，高速相机用来采集靶标图像；
[0037]
将图像的像素坐标转化为物理尺寸坐标，建立一个对应投影仪像素坐标x
p
和高速相机像素坐标(xc,yc)的线性关系式：
[0038][0039]
采用小孔成像模型，基于高速相机内参矩阵ac，高速相机外参矩阵[rc,tc]，透视变换矩阵pc，描述出世界坐标(xw,yw,zw)与高速相机像素坐标(xc,yc)的关系如下：
[0040][0041]
同样对于世界坐标(xw,yw)与dlp投影仪像素坐标(x
p
,y
p
)的关系如下：
[0042][0043]
联立以上可以得到世界坐标(xw,yw,zw)与dlp投影仪像素坐标(x
p
,y
p
)、高速相机像素坐标(xc,yc)之间的关系如下：
[0044][0045]
用高速相机与dlp投影仪在不同的位置上获取不同位姿的靶标图像，从而获取世界坐标(xw,yw,zw)与dlp投影仪像素坐标(x
p
,y
p
)之间的关系。
[0046]
步骤s2：选定一个初始位置，采用dlp投影仪投射相移光栅，获取初始位置的表面绝对相位信息φ0(u,v)，通过上述标定的参数获取初始高度信息h0(u,v)。
[0047]
步骤s3：放置一系列平面靶，对x-y方向标定和z方向位置进行标定。水平x-y方向采用棋盘格进行标定，垂直z轴使用导轨进行标定。利用一系列已知位移的平面，沿着z轴方向进行移动；根据不同的位置，拟合出公式；
[0048][0049]
该公式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a1、b1是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ1(u,v)是使用近距离dlp投影测量系统的绝对相位。
[0050]
步骤s4：使用机械投影仪与高速相机，在步骤s3中同样位置放置一系列相同的平面靶，z轴方向上与步骤s3中是相同的，在此步骤中使用ftp求取各个位置中的平面绝对相位；利用一系列已知位移的平面；沿着z轴方向进行移动；利用不同的位置，拟合出公式：
[0051][0052]
该公式表示远距离机械投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a2、b2是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ2(u,v)是使用远距离机械投影测量系统的绝对相位。
[0053]
步骤s5：利用步骤s1中近距离dlp投影测量系统生成的相移式结构光，dlp产生多频相位，获取绝对相位信息。再利用系统联合标定的公式获取机械投影光栅的初始相位；
[0054]
系统联合标定的公式为：
[0055][0056]
其中：是dlp投影仪的绝对相位，为机械投影光栅的物体绝对相位；为高度信息；第一个等式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射，以辅助
完成上述系统联合标定公式的拟合。
[0057]
步骤s6：使用标定好的远距离投影测量系统捕捉物体的动态过程，机械投影仪结合ftp(傅里叶变换)技术获取包裹相位，然后以初始相位为参考求取精确的绝对相位。最终通过高度-相位映射获取被测物体的形变量。具体可分为以下几个子步骤：
[0058]
步骤s61：利用机械投影仪投射一幅或多幅二值条纹，也可以是其他条纹，通过离焦模糊技术将其转换为正弦波来处理。不同离焦情况下的二进制条纹图像如图3所示；
[0059]
步骤s62：进一步，截取一个平面进行模拟，在合适的离焦程度下，获取近乎理想的正弦光栅；
[0060]
步骤s63：由于在实际操作中，机械投影仪无法保证整个测量区域的离焦程度一样，会使得一些区域的二进制条纹并非处于合适的离焦状态，此步骤将通过图形学操作减少离焦程度不一致的影响；
[0061]
步骤s64：对于处理一幅条纹图像获得包裹相位的算法，包括最小二乘、质量导向法、枝切法以及傅里叶变换法(ftp)等。为了实现快速的动态测量，本发明中采用ftp技术。通过步骤s61步骤投影系统投射的固定频率二值光栅条纹图像到被测物体上，利用高速相机拍摄被测物体几何形面调制后的变形条纹图像，其成像变形条纹可表示为：
[0062][0063]
其中：x、y分别为点在图像中对应行和列的像素坐标；i
′
(x,y)为背景光强；i
″
(x,y)为调制强度；f0为投射条纹的频率；为由于物体高度h(x,y)引起的相位调制。
[0064]
为了得到相位高度和消除系统误差，系统需要h0(x,y)＝0时的相位分布从而获得相对相位差：
[0065][0066]
为获取拍摄的调制条纹图相位差将式改写为指数形式，并进行二维傅里叶变换可得：
[0067]
f(u,v)＝a(u,v)+q(u-f0,v)+q
*
(u+f0,v)；
[0068]
其中：基频分量q(u-f0,v)即是包含物体高度变化信息的频谱成分，采用适当的带通滤波窗口滤出q或q
*
信息进行逆傅里叶变换，取其虚部和实部的余切值即可得到截断相位φ(x,y)，由空间相位展开算法获得连续相位
[0069]
截断相位与相位主值的关系为：
[0070][0071]
其中：n(x,y)为整数；去包裹的过程就是确定n(x,y)的过程。
[0072]
此步骤中测量关注的是动态变化，由于相机的帧频和投影帧频都足够高，因而在两帧之间相位变化通常是很小的，不会大于pi。因而可以利用时间约束特性进行相位解包裹。假设选择时间s时刻的相位图φ
uws
(x,y,s)作为基准相位图，那么s时刻后的时刻k相位可以表示为：
[0073]
[0074]
其中：δφi(x,y)代表时刻i和i-1的相位差；δφi(x,y)即可以反应动态变化过程。
[0075]
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤s1：对高速相机与dlp投影仪进行标定，搭建近距离dlp投影测量系统；步骤s2：使用标定好的近距离dlp投影测量系统对物体进行测量，获取被测物体精确的初始表面绝对相位与初始高度信息；步骤s3：使用平面靶及导轨对近距离dlp投影测量系统x-y方向标定和z方向位置进行标定；步骤s4：使用高速相机与机械投影仪搭建远距离机械投影测量系统，结合步骤s2获取的初始高度信息拟合出高度-相位映射关系，辅助完成对远距离机械投影测量系统的联合标定；步骤s5：利用步骤s1中近距离dlp投影测量系统生成的相移式结构光，dlp产生多频相位，获取绝对相位信息；再利用系统联合标定的公式获取机械投影光栅的初始相位；步骤s6：使用标定好的远距离机械投影测量系统捕捉物体的动态过程，通过ftp技术及高度-相位映射获取被测物体的形变量。2.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：定义dlp投影仪像素坐标x
p
，高速相机像素坐标(x
c
,y
c
)，高速相机内参矩阵a
c
，高速相机外参矩阵[r
c
,t
c
]，透视变换矩阵p
c
，世界坐标(x
w
,y
w
,z
w
)。3.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s1中对高速相机与dlp投影仪进行标定，搭建近距离dlp投影测量系统，具体为：固定高速相机与dlp投影仪的位置，将一平面标靶置于高速相机视场内，dlp投影仪打在平面标靶上，高速相机获取不同位姿的靶标图像，建立对应dlp投影仪像素坐标x
p
与高速相机像素坐标(x
c
,y
c
)的线性关系式：采用小孔成像模型，基于高速相机内参矩阵a
c
，高速相机外参矩阵[r
c
,t
c
]，透视变换矩阵p
c
，得到世界坐标(x
w
,y
w
,z
w
)与高速相机像素坐标(x
c
,y
c
)、dlp投影仪像素坐标x
p
之间的关系：4.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s2具体为：选定一个初始位置，采用dlp投影仪投射相移光栅，获取初始位置的表面绝对相位信息φ0(u,v)，再利用标定好的世界坐标与像素坐标之间的关系获取初始高度信息h0(u,v)。5.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s3具体为水平x-y方向采用棋盘格进行标定，垂直z轴使用导轨进行标定；利用一系列已知位移的平面，沿着z轴方向进行移动；根据不同的位置，拟合出公式；
该公式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a1、b1是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ1(u,v)是使用近距离dlp投影测量系统的绝对相位。6.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s4具体为，使用机械投影仪与高速相机，在步骤s3中同样位置放置一系列相同的平面靶，z轴方向上与步骤s3中是相同的，在此步骤中使用ftp求取各个位置中的平面绝对相位；利用一系列已知位移的平面；沿着z轴方向进行移动；利用不同的位置，拟合出公式：该公式表示远距离机械投影测量系统高度-相位映射关系；其中：a2、b2是常系数；h(u,v)为高度信息；δφ2(u,v)是使用远距离机械投影测量系统的绝对相位。7.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s5中，系统联合标定的公式为：其中：是dlp投影仪的绝对相位，为机械投影光栅的物体绝对相位；为高度信息；第一个等式表示近距离dlp投影测量系统高度-相位映射，以辅助完成上述系统联合标定公式的拟合。8.根据权利要求1所述的一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，其特征在于：所述步骤s6具体为，机械投影仪结合ftp技术获取包裹相位，然后以初始相位为参考求取精确的绝对相位；最终通过高度-相位映射获取被测物体的形变量。

技术总结
本发明公开了一种基于结构光的远距离高速形面测量方法，包括：步骤S1：搭建近距离DLP投影测量系统；步骤S2：使用标定好的近距离DLP投影测量系统获取物体的初始表面绝对相位与初始高度信息；步骤S3：使用平面靶和导轨对近距离DLP投影测量系统进行水平和垂直方向标定；步骤S4：搭建远距离机械投影测量系统，结合步骤S2的初始高度信息拟合出高度-相位映射关系，辅助进行远距离机械投影测量系统的标定；步骤S5：利用步骤S1中生成的相移式结构光，DLP产生的多频相位，获取绝对相位信息；结合系统联合标定公式获取机械投影光栅的初始相位；步骤S6：使用标定好的远距离机械投影测量系统捕捉物体动态过程，通过FTP技术及高度-相位映射获取被测物体的形变量。获取被测物体的形变量。获取被测物体的形变量。


技术研发人员：蔡柏林 黄宏志 陈向成 訾啊咪
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/10/15