專利名稱：一種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置及其測量方法，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及人們生產(chǎn)生活中的需要，三維測量技術(shù)逐漸成為了幾何測量技術(shù)中的重點研究領(lǐng)域[1-2]。該技術(shù)通過一系列測量方法，獲取被測物體表面三維輪廓數(shù)據(jù)。三維測量技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展己經(jīng)從原始的手工測量、機械測量發(fā)展到現(xiàn)在的三維面形圖像測量?？傮w來說所有三維測量技術(shù)都可以分為接觸式與非接觸式兩大類，具體測量方式分類如

圖1所示。目前世界上三維測量理論的發(fā)展己經(jīng)趨近成熟，但其在具體的應(yīng)用方面還存在著諸多的局限性。就當前的三維測量產(chǎn)品說來，還存在著一些共同的不足之處，這也制約了三維測量技術(shù)的測量效率與精度，其中一些主要的缺點有以下幾點1、由于系統(tǒng)測量視角的原因，大多數(shù)測量裝置只能同時測量物體的某一個面，在測量整個物體時需要多次測量以獲得多個角度的三維信息，因此，在拼接測量得到的多片三維數(shù)據(jù)時易產(chǎn)生人為的拼接誤差，也會使得測量的效率降低。2、現(xiàn) 有的測量系統(tǒng)操作復(fù)雜，測量準備時間較長，對外部環(huán)境要求較高，而且所得測量數(shù)據(jù)處理速度慢。3、現(xiàn)有三維測量系統(tǒng)對三維數(shù)據(jù)處理能力不夠完善，對進一步的數(shù)據(jù)處理不夠深入，相關(guān)配套軟件也不完備。4、一般現(xiàn)在的三維處理系統(tǒng)售價昂貴，普遍都在幾十萬元以上，對于一般性的小型三維測量而言，性價比不高，很難得到廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種能夠較佳準確地確定待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置及測量方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其包括投影儀，其用于對待測物分別投射具有一定時序的格雷碼條紋圖案、以及具有一定時序的線移條紋圖案；取像儀，其用于對該待測物取像獲得若干時序變化的格雷碼條紋圖像以及若干時序變化的線移條紋圖像；以及中央處理器，其用于獲取至少4η幅時序連續(xù)變化的格雷碼條紋圖像，其中，η為正整數(shù)，并進行解碼提取該至少4η幅格雷碼條紋圖像中的條紋邊緣，所有條紋邊緣數(shù)為24η-1，在每幅格雷碼條紋圖像的處理中，將其所有條紋邊緣h上點作為圖像采樣點，其中，h為正整數(shù)代表條紋邊緣的排列序號，然后按條紋邊緣h上點在相應(yīng)格雷碼條紋圖像中的灰度值Gi確定該格雷碼條紋圖像的編碼值Ki,其中，i=l,2,……，4n代表格雷碼條紋圖像的序數(shù)，進而求其投射角a i ;該中央處理器還用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的線移條紋圖案，并進行解碼提取每幅線移條紋圖案中的白條紋中心，所有白條紋中心數(shù)為24n，將每個白條紋中心線t上點作為圖像采樣點，其中，t為正整數(shù)代表白條紋中心線的排列序號，然后按該白條紋中心線t上點在相應(yīng)線移條紋圖案中的灰度值確定編碼值Yt，進而求其投射角a t ;以及該中央處理器還用于根據(jù)格雷碼條紋圖像的投射角a i以及線移條紋圖案的投射角％計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。作為上述方案的進一步改進，Ki滿足以下公式Ki=24n-1+ ((G0G1G2 A GiJ 2) 10 · 2411+1 ;其中，4n 為格雷碼條紋圖像總數(shù)；i=l，2，……，4n，為格雷碼條紋圖像的序數(shù)而表示第i幅格雷碼條紋圖像中的灰度值，其中，Gtl為初始值，令Gq=O。作為上述方案的進一步改進，Yt滿足以下公式Y(jié)t=24lrt+( (GtlG1G2A6^)2)^.24^1 ;其中，4n為線移條紋圖像總數(shù)；t=l，2，……，4n，為線移條紋圖像的序數(shù)；Gt表示第t幅線移條紋圖像中的灰度值，其中，Gtl為初始值，令Gtl=CL作為上述方案的進一步改進，投射角a t滿足以下公式
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，其包括 投影儀，其用于對待測物分別投射具有一定時序的格雷碼條紋圖案、以及具有一定時序的線移條紋圖案； 取像儀，其用于對該待測物取像獲得若干時序變化的格雷碼條紋圖像以及若干時序變化的線移條紋圖像；以及 中央處理器，其用于獲取至少4η幅時序連續(xù)變化的格雷碼條紋圖像，其中，η為正整數(shù)，并進行解碼提取該至少4η幅格雷碼條紋圖像中的條紋邊緣，所有條紋邊緣數(shù)為24η-1，在每幅格雷碼條紋圖像的處理中，將其所有條紋邊緣h上點作為圖像采樣點，其中，h為正整數(shù)代表條紋邊緣的排列序號，然后按條紋邊緣h上點在相應(yīng)格雷碼條紋圖像中的灰度值Gi確定該格雷碼條紋圖像的編碼值Ki,其中，i=l，2，……，4n代表格雷碼條紋圖像的序數(shù)，進而求其投射角a i ; 該中央處理器還用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的線移條紋圖案，并進行解碼提取每幅線移條紋圖案中的白條紋中心，所有白條紋中心數(shù)為24n，將每個白條紋中心線t上點作為圖像采樣點，其中，t為正整數(shù)代表白條紋中心線的排列序號，然后按該白條紋中心線t上點在相應(yīng)線移條紋圖案中的灰度值確定編碼值Yt，進而求其投射角a,;以及 該中央處理器還用于根據(jù)格雷碼條紋圖像的投射角Cii以及線移條紋圖案的投射角at計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。
2.—種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，其包括 投影模塊，其用于對待測物分別投射具有一定時序的射格雷碼條紋圖案、以及具有一定時序的線移條紋圖案； 取像模塊，其用于對該待測物取像獲得若干時序變化的格雷碼條紋圖像以及若干時序變化的線移條紋圖像；以及 數(shù)據(jù)處理模塊，其包括 格雷碼條紋圖像解碼模塊，其用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的格雷碼條紋圖像，其中，η為正整數(shù)，并進行解碼提取該至少4η幅格雷碼條紋圖像中的條紋邊緣，所有條紋邊緣數(shù)為24η-1，在每幅格雷碼條紋圖像的處理中，將其所有條紋邊緣h上點作為圖像采樣點，其中，h為正整數(shù)代表條紋邊緣的排列序號，然后按條紋邊緣h上點在相應(yīng)格雷碼條紋圖像中的灰度值Gi確定該格雷碼條紋圖像的編碼值Ki,其中，i=l,2,……，4n代表格雷碼條紋圖像的序數(shù)，進而求其投射角a i ; 線移條紋圖案解碼模塊，其用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的線移條紋圖案，并進行解碼提取每幅線移條紋圖案中的白條紋中心，所有白條紋中心數(shù)為24n，將每個白條紋中心線t上點作為圖像采樣點，其中，t為正整數(shù)代表白條紋中心線的排列序號，然后按該白條紋中心線t上點在相應(yīng)線移條紋圖案中的灰度值確定編碼值Yt，進而求其投射角a t ;以及 整合模塊，其用于根據(jù)格雷碼條紋圖像的投射角Cii以及線移條紋圖案的投射角％計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，Ki滿足以下公式
4.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，Yt滿足以下公式 YJ4KG0G1G2 Λ&Η)2)10·24η-Η ;其中，4η為線移條紋圖像總數(shù)；t=l，2，……，4n，為線移條紋圖像的序數(shù)；Gt表示第t幅線移條紋圖像中的灰度值，其中，Gtl為初始值，令Gtl=CL
5.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，投射角Cit滿足以下公式at=a0+ arctan[(24,; ' -/Q· (*^)],其中，2 a i為投影用的投射角范圍，％為投射角2 α I的中線與X軸的夾角，X軸為平行于水平地面。
6.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，投射角α,滿足以下公式％ rQ^ + arctai^tano^+ ，其中，2 a i為投影用的投射角范圍，a ^為投射角2 α I的中線與X軸的夾角，X軸為平行于水平地面。
7.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其特征在于，改變投影用的投射角范圍，獲取新的格雷碼條紋圖像的投射角Cii以及線移條紋圖案的投射角at，根據(jù)兩次獲得的格雷碼條紋圖像的投射角Cii以及線移條紋圖案的投射角Cit計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。
8.—種結(jié)構(gòu)光三維測量方法，其特征在于，其包括以下步驟 對待測物分別投射具有一定時序的射格雷碼條紋圖案、以及具有一定時序的線移條紋圖案； 對該待測物取像獲得若干時序變化的格雷碼條紋圖像以及若干時序變化的線移條紋圖像； 獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的格雷碼條紋圖像，其中，η為正整數(shù)，并進行解碼提取該至少4η幅格雷碼條紋圖像中的條紋邊緣，所有條紋邊緣數(shù)為24η-1，在每幅格雷碼條紋圖像的處理中，將其所有條紋邊緣h上點作為圖像采樣點，其中，h為正整數(shù)代表條紋邊緣的排列序號，然后按條紋邊緣h上點在相應(yīng)格雷碼條紋圖像中的灰度值Gi確定該格雷碼條紋圖像的編碼值Ki,其中，i=l，2，……，4n代表格雷碼條紋圖像的序數(shù)，進而求其投射角Cii ; 獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的線移條紋圖案，并進行解碼提取每幅線移條紋圖案中的白條紋中心，所有白條紋中心數(shù)為24n，將每個白條紋中心線t上點作為圖像采樣點，其中，t為正整數(shù)代表白條紋中心線的排列序號，然后按該白條紋中心線t上點在相應(yīng)線移條紋圖案中的灰度值確定編碼值Yt，進而求其投射角at;以及 根據(jù)格雷碼條紋圖像的投射角Cii以及線移條紋圖案的投射角α,計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)光三維測量方法，其特征在于，Ki滿足以下公式 Kp4KG0G1G2 Λ Gh) J10C4n+1 ;其中，4η為格雷碼條紋圖像總數(shù)；i=l，2，……，4n，為格雷碼條紋圖像的序數(shù)A表示第i幅格雷碼條紋圖像中的灰度值，其中，Gtl為初始值，令 G0=O。
10.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)光三維測量方法，其特征在于，Yt滿足以下公式Y(jié)t=24lrt+((GtlG1G2 AGh)2)10 · 24η_Η ;其中，4η 為線移條紋圖像總數(shù)；t=l，2，……，4n，為線移條紋圖像的序數(shù)；Gt表示第t幅線移條紋圖像中的灰度值，其中，G0為初始值，令Gtl=CL
11.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)光三維測量方法，其特征在于，投射角α,滿足以下公式
12.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)光三維測量方法，其特征在于，投射角α,滿足以下公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)光三維測量裝置，其包括投影儀，其用于對待測物分別投射具有一定時序的格雷碼條紋圖案、以及具有一定時序的線移條紋圖案；取像儀，其用于對該待測物取像獲得若干時序變化的格雷碼條紋圖像以及若干時序變化的線移條紋圖像；中央處理器，其用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的格雷碼條紋圖像，其中，n為正整數(shù)，并進行解碼，還用于獲取至少4n幅時序連續(xù)變化的線移條紋圖案，并進行解碼；還用于根據(jù)格雷碼條紋圖像的投射角αi以及線移條紋圖案的投射角αt計算該待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠較佳準確地確定待測物的表面三維輪廓數(shù)據(jù)。本發(fā)明還涉及另一種軟件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)光三維測量裝置及其測量方法。
文檔編號G01B11/25GK103033147SQ201310008280
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月9日
發(fā)明者時圣柱 申請人:中航華東光電有限公司