專利名稱：物體三維輪廓測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物體三維輪廓測量，特別是一種物體三維輪廓測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)三維形貌測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種測量領(lǐng)域，具有精度高、速度快和非接 觸性測量等優(yōu)點。目前，光學(xué)三維形貌測量技術(shù)主要采用主動光學(xué)三維測量原理， 使照明光場結(jié)構(gòu)化(點，線，光柵條紋等)，利用結(jié)構(gòu)光照明被測物體，被測物體的 三維表面對照明結(jié)構(gòu)光進行調(diào)制，使物體表面的光場分布攜帶被測物體表面的三維 形貌信息。通過CCD相機拍攝調(diào)經(jīng)過調(diào)制的結(jié)構(gòu)光場的圖像，經(jīng)計算機處理，通過 三維形貌重構(gòu)算法，得到被測目標(biāo)的三維形貌信息。
特別的，利用光柵條紋作為結(jié)構(gòu)光的傅立葉變換輪廓術(shù)(FTP),由Takeda等人 于1983年提出[參見在先技術(shù)1: TakedaMitsuo，MutohKazuhiro， "Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes", Applied Optics, Vol.22,Issue.24,1983]。這種方法將光柵投影條紋作為結(jié)構(gòu)光源，通過對圖像強度分 布進行傅立葉變換、濾波、傅立葉逆變換、位相展開等圖像和信息解調(diào)算法處理， 得到測量目標(biāo)的三維形貌信息。
在已經(jīng)廣泛存在的傅立葉變換輪廓術(shù)三維測量結(jié)構(gòu)當(dāng)中，投影條紋陣列的產(chǎn)生 主要是利用正弦振幅光柵，二值振幅型透射光柵，或者是數(shù)字投影儀。
不論是正弦振幅光柵還是二值型振幅光柵，.均是靠光柵不透光部分對光強的吸 收實現(xiàn)投影條紋陣列的產(chǎn)生，能量的利用率較低。在某些實際應(yīng)用場合，實際物體 的表面能量散射較強，或者物體表面分布復(fù)雜，從而導(dǎo)致局部投影條紋過密，很容 易造成投影條紋之間的串?dāng)_。此時的解決方法往往是采用較小的光柵開口比(透光 部分與光柵周期的比值)。振幅光柵的開口比在光柵制作時確定，較小的開口比意味 著較多的能量損失，能量利用率和線條壓縮比之間存在著矛盾。
實際上，大部分的振幅型透射光柵的不透光部分，特別是數(shù)字液晶投影儀的光 柵投影系統(tǒng)，仍然有一定的光強透過率，會帶來光柵投影條紋光場的明暗對比度的 下降。而數(shù)字投影儀的其他的缺點包括體積大，價格昂貴等。
利用上述振幅型光柵或數(shù)字投影儀的傅立葉變換輪廓術(shù)，在產(chǎn)生一維投影陣列 條紋時，面臨著光強不均勻，能量利用率低，線條壓縮比(條紋周期和明亮條紋寬
4度的比值)不能太大等諸多問題，給三維面形的重建帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，傅 立葉變換輪廓術(shù)特別需要高效率、高對比度和高壓縮比的條紋產(chǎn)生方法。
空間坐標(biāo)調(diào)制型的二值位相光柵最早是由H.達曼和K. G6rtler等于1971年提出 的[參見在先技術(shù)2: H. Dammann and K. G6rtler, "High-efficiency in-line Multiple Imaging by Multiple Phase Holograms", Opt. Comm. 1971， 3 (3): 312~315 ，及U. Killat, G. Rabe, and W. Rave, "Binary Phase Gratings for Star Couplers with High Splitting Ratio", Fiber and Intergrated Opt, 1982， 4 (2): 159-167]。這種技術(shù)利用特殊孔徑函數(shù) 的衍射光柵產(chǎn)生一維或二維的等光強陣列光束，其最初的目的是在光刻的同時獲得 一個物體的多重成像以提高生產(chǎn)效率。這種光柵后來被稱為"達曼光柵"。它是具有 特殊孔徑函數(shù)的二值位相光柵，在入射光波的夫瑯和費衍射平面上產(chǎn)生一定點陣數(shù) 目的等光強光斑，完全避免了一般振幅光柵因光強吸收不均勻引起的條紋不均勻分 布。
周常河等人給出了從2到64點陣的達曼光柵解，并詳細分析了位相制作誤差、 側(cè)壁腐蝕誤差對光柵性能的影響[參見在先技術(shù)3: C. H. Zhou and L. R. Liu， "Numerical Study of達曼Array Illuminators", Appl. Opt.， 1995， 34 (26): 5961~5969]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決上述現(xiàn)有技術(shù)中傅立葉變換輪廓術(shù)的測量結(jié)構(gòu)中利用正弦振幅光 柵，二值振幅型光柵或數(shù)字投影儀產(chǎn)生的一維投影陣列條紋的不均勻、能量利用率 低和線條壓縮比小等問題，提供一種物體三維輪廓測量裝置及測量方法，該裝置具 有測量精度高，測量裝置簡單，計算機重構(gòu)信息處理簡便和易于操作的特點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種物體三維輪廓測量裝置，其特點是該裝置由激光二極管、透鏡、小孔光闌、 二維達曼光柵、柱面鏡、面陣CCD相機、傳輸線和計算機構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系 是所述的激光二極管發(fā)出的光束依次經(jīng)過所述的透鏡、小孔光闌、二維達曼光柵
和柱面鏡后，形成一維投影陣列條紋，照明待測目標(biāo)的表面，由所述的面陣CCD相
機采集待測目標(biāo)表面三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，經(jīng)傳輸線輸入所述的計算機， 所述計算機具有圖像采集接口、圖像采集軟件和三維測量信息重建算法軟件。
所述的二維達曼光柵的空間分束比為NXN，該N為2以上的正整數(shù)，對所述的 激光二極管的波長的衍射圖樣為正方形的均勻點陣分布。
利用上述物體三維輪廓測量裝置進行物體三維輪廓的測量方法，包括下列步驟:
①調(diào)整透鏡、二維達曼光柵和柱面鏡相互之間的距離，在投影參考平面上形成
清晰分布的一維投影陣列條紋；② 采集參考平面上的參考條紋圖像測量物體三維面形之前，調(diào)整面陣CCD相 機的對焦位置，使參考條紋在面陣CCD相機上清晰成像，采集一幅參考平面上的條 紋圖像作為參考條紋圖像，存儲于所述的計算機中；
③ 對所述的參考條紋圖像進行數(shù)字圖像處理和分析，得到參考條紋圖像的復(fù)數(shù)
信號;。(jc，力-命。(;c，力exp(/2;ir/。jc + p。(;c,力)，并存儲在所述的計算機中；
④ 采集待測目標(biāo)上的形變光柵條紋圖像將待測目標(biāo)放置在參考平面上，采集 待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生的形變光柵條紋圖像，存儲于所述的計算機中；
⑤ 對所述的形變光柵條紋圖像進行數(shù)字圖像處理和分析，得到形變條紋圖樣的
復(fù)數(shù)信息"Jc,;;h命(;c,;;)exp(Z2;r/。x + p(;c,;;))，并存儲在所述的計算機中；
⑥ 計算所述的參考條紋圖像和形變條紋圖像包含的信息差值，即相位差值將
所述的參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信息和所述的形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信息代入下式進行計 算
力=,一"，"g。* "，"],得到兩幅圖像的位相差；
⑦ 對所述的位相差進行相位展開，并重構(gòu)物體的三維面形信息對所述的位相
差進行相位展開，得到展開后的相位差值A(chǔ)"x'"后，再利用
所述的數(shù)字圖像處理和分析包括圖像色彩變換、圖像幾何變換、數(shù)字圖像濾 波、傅立葉變換、自動基頻濾波和傅立葉逆變換。所述的圖像的色彩變換完成從彩 色圖像到灰度圖像的變換。所述的圖像的幾何變換將圖像像素大小裁減成2的正整 數(shù)次冪，便于傅立葉變換的數(shù)字計算。所述的數(shù)字圖像濾波包括中值濾波和均值濾 波。所述的自動基頻濾波是利用計算機自動搜索濾波窗函數(shù)的窗口大小，通過設(shè)定 閾值的方式從最大值位置向兩邊進行搜索，碰到連續(xù)多個數(shù)值小于設(shè)定閾值且變化 緩慢的像素點時，記錄第一個像素點的位置，并設(shè)定為特征點，停止搜索，并判定 到達濾波邊界，且判定峰值兩邊特征點之間的區(qū)域即為矩形濾波窗口的范圍。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明將二維達曼光柵和柱面鏡應(yīng)用于傅立葉變換輪廓術(shù)三維測量裝置中，由 于達曼光柵具有譜點光強均勻、能量利用率高和譜點尺寸壓縮比(譜點間距和譜點 特征尺寸的比值)大的特點，并利用柱面鏡將譜點進行一維展開，因而解決了投影 陣列條紋光強分布不均勻，能量利用率低，壓縮比小的技術(shù)問題，產(chǎn)生的一維投影
，重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布。
6陣列條紋具有均勻度高，亮度高，對比度高，線條壓縮比大，和條紋尖銳等優(yōu)點。 相比利用振幅光柵和正弦光柵的傅立葉變換輪廓術(shù)三維測量結(jié)構(gòu)[參考在先技術(shù)l]， 具有能量利用率高，投影條紋一維分布均勻，壓縮比大以及三維面形重構(gòu)過程簡化 等優(yōu)點，測量結(jié)構(gòu)簡單，實施方便。


圖1是本發(fā)明物體三維輪廓測量裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明所采用的二維達曼光柵和柱面鏡形成一維投影陣列條紋的原理示 意圖。
圖3是本發(fā)明所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)的原理示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
先請參閱圖l，圖l是本發(fā)明物體三維輪廓測量裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明 物體三維輪廓測量裝置，由激光二極管l、透鏡2、小孔光闌3、 二維達曼光柵4、 柱面鏡5、面陣CCD相機6、傳輸線7和計算機8構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所 述的激光二極管1發(fā)出的光束依次經(jīng)過所述的透鏡2、小孔光闌3、 二維達曼光柵4 和柱面鏡5后，形成一維投影陣列條紋，照明待測目標(biāo)的表面S，由所述的面陣CCD 相機6采集被測量目標(biāo)表面S三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，經(jīng)傳輸線7輸入所述 的計算機8，所述計算機8具有圖像采集接口、圖像采集軟件和三維測量信息重建 算法軟件。
本發(fā)明所述的測量裝置中， 一維陣列投影條紋的產(chǎn)生元件包括二維達曼光柵4 和柱面鏡5。所述的二維達曼光柵的空間分束比為NXN，該N為2以上的正整數(shù)， 對所述的激光二極管1的波長的衍射圖樣為正方形的均勻點陣分布。
本發(fā)明所涉及的一維投影陣列條紋產(chǎn)生的基本原理和測量原理即傅立葉變換輪 廓術(shù)的基本原理如下
參閱圖2，圖示光路是本發(fā)明所采用的一維投影陣列條紋產(chǎn)生的基本光路原理 圖。圖中Pi表示由透鏡2、 二維達曼光柵4和柱面鏡5組成的光學(xué)系統(tǒng)的焦平面位
置，當(dāng)光路系統(tǒng)確定后，Pi平面的位置確定。P2表示一維投影陣列條紋的產(chǎn)生平面，
同時也作為傅立葉變換輪廓術(shù)測量結(jié)構(gòu)(參閱圖3)中的參考平面。J表示二維達曼 光柵4的周期大小，利用在先技術(shù)3制作的達曼光柵的參數(shù)在制作完成后為確定值。 Z)表示平面Pi和平面P2之間的距離。
二維達曼光柵4的一個矩形單元，其透過率分布為-
7~ W = reef
(1)
其中x為位相轉(zhuǎn)換點的距離，A為第A個位相轉(zhuǎn)換點的距離，Aw為第A:+l個位相 轉(zhuǎn)換點的距離。其傅立葉變換則為
2wr
(2)
其中侮二2wc^，"為達曼光柵的衍射級次，詢?yōu)榈贏:個位相轉(zhuǎn)換點在第"級衍射 級次上對應(yīng)的位相角。
總的譜點強度可表示為
、2wr八
其中/ 為達曼光柵第"級衍射級次上的光強度，且
(。"),Z(一V(s—十i -)
A:=0
a:
=(-l廣1 sin aA - sin 2肌
(a),2f;(-i)i+i(cosai+1-cos"*)
=cos - cos 2";r -1
(3)
(4)
(5)
其中(a^為所有位相轉(zhuǎn)換點在第"級衍射級次上實數(shù)部分強度的總和，(2")/為所 有位相變換點在第"級次上虛數(shù)部分強度的總和。式(3)可簡化，對于零級譜點， 零級譜點上的光強度為
1 + 2￡(-1)、
"1
(6)
對非零級，其譜點強度為
,。2 r丄
7 =2 + [1 + Z (- V cos t ]2
(7)
根據(jù)衍射點陣的分束數(shù)目，達曼光柵分為奇數(shù)型和偶數(shù)型兩種。利用計算機進行數(shù) 值計算光柵解時，需考慮的目標(biāo)函數(shù)有光柵效率、最小特征尺度、均勻度等[參考在 先技術(shù)2和3]。通過計算機數(shù)值計算所得的二維達曼光柵的圖樣分布為譜點強度均 勻的二維點陣分布。
僅僅采用達曼光柵仍然不能產(chǎn)生一維分布的條紋陣列。本發(fā)明巧妙綜合利用了二維達曼光柵產(chǎn)生二維點陣分布，再利用柱面鏡將其中的一個維度上的點陣展開成 線條分布，最終實現(xiàn)了高效率，高對比度和高線條壓縮比的一維投影陣列條紋的產(chǎn) 生結(jié)構(gòu)和方法。
在圖2中，當(dāng)不考慮柱面鏡作用時，二維達曼光柵4的均勻二維點陣分布圖樣 位于平面Pi的后面。但是，由于透鏡2和柱面鏡5的組合光路縮短了光路的焦距， 使得系統(tǒng)的焦平面位于Pi平面。在平面P2上，柱面鏡5完成了二維達曼光柵4均勻 點陣沿少方向的展寬。這些展寬的光斑的疊加形成了在x維度上均勻分布，在y維 度上呈線陣分布的一維投影陣列線陣。
從理論上分析， 一維達曼光柵的一維衍射點陣也是可以通過柱面鏡完成在y空 間維度上的展開。但是，由于柱面鏡有限的空間展開角度，決定了一維達曼光柵加 上柱面鏡結(jié)構(gòu)所展開的條紋長度非常有限，限制了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。而利用二維達 曼光柵，從圖2看出，由于y方向上是對多個點同時展開，可以很好地克服展開條 紋長度有限的缺點。
參閱圖3，所示光路結(jié)構(gòu)是本發(fā)明所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)測量原理圖。MiM2 表示投影光路的光軸方向，NhN2表示圖像采集光路的光軸方向。參考平面P2是一維
投影陣列條紋的投影參考平面，作為待測平面S的測量參考。/2(jc,力表示在物體表
面B點相對參考平面P2對應(yīng)坐標(biāo)處的高度，Z表示圖像采集光路的入瞳和光柵投影 光路之間的距離，當(dāng)光路結(jié)構(gòu)確定后，￡為已知量，"表示圖像采集光路入瞳和參 考平面的距離，同樣在系統(tǒng)中為已知量。
沒有待測表面時即/^x，力-0，在參考平面P2上，條紋圖像為原始的投影條紋，
沒有形變，其光場分布可以表示為
<formula>formula see original document page 9</formula> (8)
當(dāng)上述原始投影條紋圖像投影到待測表面S時，待測表面的高度分布 /z(x,;f)^0，得到形變的條紋圖像，其光場分布可以表示為
<formula>formula see original document page 9</formula> (9)
其中，r。(x,y)ro， r(;c，y)表示上述兩種情況的非均勻的表面反射，^"表示各級傅立 葉級數(shù)的權(quán)重因子，^和p分別表示條紋圖像未經(jīng)待測表面S調(diào)制和經(jīng)過待測表面 S調(diào)制的位相分布，/fl表示投影條紋的基頻。
對(8)式進行一維傅立葉變換獲得傅立葉頻譜，對得到的頻譜進行濾波，提取 基頻分量后進行傅立葉反變換，可以得到參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號g。 (A力=4[ (A力exp (/2tt/。;c + p。 (x，力) (10 )
對(9)式進行同樣的處理，結(jié)果得到變形條紋圖像的復(fù)數(shù)信號-
g(U) = ^r(x,少)exp(/2;r/oX + ^7(x,少)) (11)
比較(10)和(11)式，所測物體三維面形調(diào)制投影光柵條紋的結(jié)果導(dǎo)致復(fù)指數(shù)項 中的位相發(fā)生了變化，大小為 (x,y):
A^，+ gIm[^，^°>》] 。2)
另外一個方面，從光路示意圖3中，由幾何光路可知-
Ap(x,力=p(x,y)-伊0= 2;r /0^C (13 )
1^/丄"/(丄0-/ ) (14) 由(13) (14)式可以計算待測高度^和髙度調(diào)制導(dǎo)致的位相差A(yù)p(x,y)之間 的表達關(guān)系式
(15)
在具體的測量過程中，通過(12)式從參考條紋圖像和受到測量目標(biāo)高度調(diào)制 的形變條紋圖像中進行差值計算，得到位相差A(yù)p(x,少)的數(shù)值，然后由(15)式給 出高度分布的信息。
本發(fā)明具體實施例的參數(shù)如下
所述的激光二極管1的激光中心波長為650/^。所述的二維達曼光柵4分束陣列 為21X21的二維達曼光柵，光柵周期^/=500um，最細線寬為2. 5um，光柵圖案面 積為lOmmXlOmm，并對波長650/m 的衍射點陣特征點光強分布均勻。所述的柱面鏡 5的大小為50mmX50mm，焦距為125腿。參考圖1和圖2，所述激光二極管1產(chǎn)生的 光束經(jīng)過透鏡2和小孔光闌3，得到會聚的照明光束，利用所述的二維達曼光柵4 對聚焦的光束進行分光束衍射，在透鏡2的焦面上形成清晰的21X21的二維均勻點 陣分布圖樣。利用所述的柱面鏡5將21 X21的二維均勻點陣分布圖樣在P2平面的y 方向進行展開，得到x方向均勻分布的一維投影陣列條紋，照明于測量目標(biāo)S的表 面。所述的面陣CCD相機6采集被物體表面調(diào)制的形變條紋圖樣，由傳輸線7將采 集的圖像信號傳送到計算機8。所述計算機8具有圖像采集接口，圖像采集軟件以 及三維測量信息重建算法和軟件。所述的面陣CCD相機6和柱面鏡5所在光軸的夾 角為15°。利用上述基于二維達曼光柵和柱面鏡的傅立葉變換輪廓術(shù)進行測量時
① 調(diào)整透鏡2、 二維達曼光柵4和柱面鏡5相互之間的距離，在投影參考平面 P2上形成清晰分布的一維投影陣列條紋；
② 采集參考平面P2上的條紋分布圖樣測量物體三維面形之前，調(diào)整面陣CCD 相機6的對焦位置，使參考條紋在面陣CCD相機6上清晰成像，采集一幅參考平面 上的參考條紋圖像，存儲于計算機8中；
③ 對所述的參考條紋圖像進行數(shù)字圖像處理和分析，包括圖像的色彩變換，圖 像的幾何變換，數(shù)字圖像濾波技術(shù)，以提高圖像的對比度，減少圖像噪聲，然后進
行傅立葉變換、自動基頻濾波、傅立葉逆變換，得到參考條紋圖像復(fù)數(shù)信號
i。(;c，;;卜々。(x,力exp(G;r/。;c+ 并存儲在計算機8中；在自動基頻濾波
過程中,濾波窗口大小判定的連續(xù)像素點的個數(shù)設(shè)為6，判定閾值設(shè)為最大值的1/15， 即碰到峰值兩邊連續(xù)6個變化緩慢且小于閾值的像素點時，搜索過程結(jié)束。
④ 采集測量目標(biāo)上的形變光柵條紋分布圖像將測量目標(biāo)放置在參考平面上， 由于受限于面陣CCD相機6的焦深，測量物體的高度分布變化不能超出面陣CCD 相機成像的焦深范圍。采集待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生的形變光柵條紋圖像，存 儲于計算機8中；
⑤ 對所述的進行數(shù)字圖像處理和分析，包括圖像的色彩變換，圖像的幾何變換， 數(shù)字圖像濾波技術(shù)，以提高圖像的對比度，減少圖像噪聲，然后進行傅立葉變換、 自動基頻濾波、傅立葉逆變換，得到形變光柵條紋圖像的復(fù)數(shù)信號
1(;c，力命(x，力exp(ik/。x + p(jc，y))，并存儲在計算機8中；在自動基頻濾波過
程中，濾波窗口大小判定的連續(xù)像素點的個數(shù)設(shè)為6，判定閾值設(shè)為最大值的1/15， 即碰到峰值兩邊連續(xù)6個變化緩慢且小于閾值的像素點時，搜索過程結(jié)束。
⑥ 計算所述的參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號和所述的形變條紋圖像包含的信息差 值，即相位差值。將上述所存儲的參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號和形變光柵條紋圖像的 復(fù)數(shù)信號代入下式進行計算
A伊(;c，力-^g工m[g"J)f。,"力]，得到兩幅圖像的位相差； Re[g(w)g。 (jc，力]
⑦ 對所述的位相差進行相位展開，并重構(gòu)物體的三維面形信息。由于計算機計
算的反正切值位于(-TT,Tl]，因此相對位相分布存在不連續(xù)躍變，要對計算的位相差進
行相位展開；得到展開后的相位差值A(chǔ)^(JC，);)后，再利用A(;c,力-^4^;^1^，
11重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布。
上述式中r^,W、咕,力分別表參考平面和待測目標(biāo)表面S的非均勻的表面反射 率，A表示各級傅立葉級數(shù)的權(quán)重因子，^^，^和^^,"表示條紋圖像未經(jīng)待測目標(biāo) 表面S調(diào)制和經(jīng)過待測目標(biāo)表面S調(diào)制的位相分布，/。表示投影光柵條紋的基頻。
本發(fā)明所述的基于二維達曼光柵和柱面鏡的傅立葉變換輪廓術(shù)三維測量結(jié)構(gòu)， 具有能量利用率高，投影條紋分布均勻，壓縮比大，以及條紋清晰明亮，對比度高 等優(yōu)點，便于算法實現(xiàn)過程和三維面形重構(gòu)過程的簡化。所述測量結(jié)構(gòu)具有操作方 便，測量速度快，實施簡單，測量精度高等優(yōu)點，便于計算機處理信息，可以實現(xiàn) 自動測量，具有重要的實用價值和前景。
權(quán)利要求
1、一種物體三維輪廓測量裝置，其特征在于由激光二極管(1)、透鏡(2)、小孔光闌(3)、二維達曼光柵(4)、柱面鏡(5)、面陣CCD相機(6)、傳輸線(7)和計算機(8)構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所述的激光二極管(1)發(fā)出的光束依次經(jīng)過透鏡(2)、小孔光闌(3)、二維達曼光柵(4)和柱面鏡(5)后，形成一維投影陣列條紋，照明待測目標(biāo)的表面(S)，由所述的面陣CCD相機(6)采集被測量目標(biāo)表面(S)三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，經(jīng)傳輸線(7)輸入所述的計算機(8)，所述計算機(8)具有圖像采集接口、圖像采集軟件和三維測量信息重建算法軟件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體三維輪廓測量裝置，其特征在于所述的二 維達曼光柵(4)的空間分束比為NXN，該N為2以上的正整數(shù)，對所述的 LD激光(1)波長的衍射圖樣為正方形的均勻點陣分布。
3、 利用權(quán)利要求1所述的物體三維輪廓測量裝置進行物體三維輪廓的測 量方法，其特征在于包括下列步驟① 調(diào)整透鏡(2)、 二維達曼光柵(4)和柱面鏡(5)相互之間的距離，在 投影參考平面(P2)上形成清晰分布的一維投影陣列條紋；② 采集參考平面(P2)上的參考條紋圖像測量物體三維面形之前，調(diào)整 面陣CCD相機(6)的對焦位置，使參考條紋在面陣CCD相機(6)上清晰成像， 采集一幅參考平面上的條紋圖像作為參考條紋圖像，存儲于計算機(8)中；③ 對所述的參考條紋圖像進行數(shù)字圖像處理和分析，得到參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號: g。 (U) = 4ro (x，y)exp(f2;r/0x + p。 (x,力)，并存儲在所述的計算t幾(8 ) 中；④ 采集待測目標(biāo)上的形變光柵條紋圖像將待測目標(biāo)放置在參考平面(P2) 上，采集待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生的形變光柵條紋圖像，存儲于所述的 計算機(8)中；⑤ 對所述的形變光柵條紋圖像進行數(shù)字圖像處理和分析，得到形變條紋圖樣的復(fù)數(shù)信息;(x,力-々(;c,力exp(^/。x + p(x,力)，并存儲在所述的計算機 (8)中；⑥ 計算所述的參考條紋圖像和形變條紋圖像包含的信息差值，即相位差值將所述的參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信息和所述的形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信息代 入下式進行計算A"x，+臟,gJm[g"，，"，力]，得到兩幅圖像的位相差； Re[g(x,力g。⑦對所述的位相差進行相位展開，并重構(gòu)物體的三維面形信息對所述的 位相差進行相位展開，得到展開后的相位差值A(chǔ)Wx,力后，再利用M^)= A ，" l ，重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的物體三維輪廓的測量方法，其特征在于所述的 數(shù)字圖像處理和分析包括圖像色彩變換、圖像幾何變換、數(shù)字圖像濾波、 傅立葉變換、自動基頻濾波和傅立葉逆變換。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體三維輪廓的測量方法，其特征在于所述的 圖像的色彩變換完成從彩色圖像到灰度圖像的變換。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體三維輪廓的測量方法，其特征在于所述的 圖像的幾何變換將圖像像素大小裁減成2的正整數(shù)次冪，便于傅立葉變換的 數(shù)字計算。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體三維輪廓的測量方法，其特征在于所述的 數(shù)字圖像濾波包括中值濾波和均值濾波。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體三維輪廓的測量方法，其特征在于所述的 自動基頻濾波是利用計算機自動搜索濾波窗函數(shù)的窗口大小，通過設(shè)定閾值 的方式從最大值位置向兩邊進行搜索，碰到連續(xù)多個數(shù)值小于設(shè)定閾值且變 化緩慢的像素點時，記錄第一個像素點的位置，并設(shè)定為特征點，停止搜索， 并判定到達濾波邊界，且判定峰值兩邊特征點之間的區(qū)域即為矩形濾波窗口 的范圍。
全文摘要
一種物體三維輪廓測量裝置及測量方法，該裝置由激光二極管、透鏡、小孔光闌、二維達曼光柵、柱面鏡、面陣CCD相機、傳輸線和計算機構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所述的激光二極管發(fā)出的光束依次經(jīng)過透鏡、小孔光闌、二維達曼光柵和柱面鏡后，形成一維投影陣列條紋，照明待測目標(biāo)的表面，由所述的面陣CCD相機采集被測量目標(biāo)表面三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，經(jīng)傳輸線輸入所述的計算機，所述計算機具有圖像采集接口、圖像采集軟件和三維測量信息重建算法軟件。本發(fā)明利用二維達曼光柵和柱面鏡的傅立葉變換三維輪廓測量結(jié)構(gòu)具有能量利用率高、測量結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、計算機重構(gòu)信息處理簡便和易于操作等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/24GK101451826SQ200810204749
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者周常河, 軍 張, 武騰飛, 偉 賈 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所