結(jié)構(gòu)光測量原理

1、投影柵相位法是三維輪廓測量中熱點之一，其測量原理是光柵圖樣投射到被測物體表面， 相位和振幅受到物面高度調(diào)制使柵像發(fā)生變形，通過解調(diào)可以得到包含高度信息相位變 化，最后根據(jù)三角法原理完成相位一高度轉(zhuǎn)換。在計算機中空間相位解調(diào)和時間相位解調(diào)沒有本質(zhì)區(qū)別，因此基于相位光柵投射輪 廓術(shù)中相位計算方法幾乎全是借鑒通信理論中調(diào)制一解調(diào)技術(shù)。根據(jù)相位檢測方法不同，主要有莫爾輪廓術(shù)、移相法、變換法。其中移相法應(yīng)用最為廣泛。2.2 相位移原理相位移的基本思想是：通過采集多幀有一定相移的條紋圖像來計算包含右被測 物體表面三維信息的相位初伯切。假設(shè)條紋圖像光強是標(biāo)準(zhǔn)正弦分布，則其光強分 布函數(shù)為：A (x. y)

2、= / (x, y) + r (x, y)y) + (2.1 )其中r(xj)為圖像的平均灰度，r(x,y)為圖像的灰度調(diào)制，5,分別為圖像的相 位移，奴工丁)為待計算的相對相位值(也被稱為相位主值其中人工玲，丁(工力和 奴乂力為三個未知最.因此要計算0(XJ)至少需要使用三張圖像。目前已有多種相移律法，每種算法的穩(wěn)定性和誤差響應(yīng)均不相同，因此相位移算 法的選取對相位計算及后續(xù)三維重建精度有重要的影響L目前相移算法主要有： 標(biāo)準(zhǔn)N步相移法或等間距滿周期法1網(wǎng)、N幀平均算法I網(wǎng)、N+1步相移算法I則和任意等 步K相移算法河等。2.3 相位展開算法通過相位移算法計算出的相位主值火兌月在一個相位周期

3、內(nèi)是唯一的，但是由于 在整個測量空間內(nèi)有多個光柵條紋，也也刃呈鋸齒狀分布，必須對空間點的相位主 值進行相位展開得到連續(xù)的絕對相位值中如圖2.2所示。圖22和皎展開示意圖c J |IJ *1 HI與以上的空間相位展開算法相對應(yīng)，Humley等提出了時間相位展開方法 （Temporal Phase Unwrapping Algo6thm嚴(yán)“”加碼這種方法通過投射一系列不同頻率 的條紋圖到被測物體表面，并同步拍掇得到，組受被測物體表面調(diào)制的而變形光珊 條紋圖，然后將福點的相位在這個序列上獨立進行計算，從原理上避免了誤差的傳 播。這種每點相位可獨立計品的特征，使得此方法在解相過程中不受被測物體形貌 的

4、影響，可自動準(zhǔn)確的測量表面不連續(xù)的物體區(qū).時間相位展開方法自提出到現(xiàn)在已有十多年的歷史，這期間發(fā)展非?？?，目前已 有多篇綜述性文章對此領(lǐng)域進行了系統(tǒng)介紹他84-的，此方面的具體內(nèi)容請參考上述 文獻。與空間相位展開方法相比,時間相位展開需要的圖像更多，因此，當(dāng)能夠記 錄多幅圖像且速度能滿足要求時，時間相位展開方法要更優(yōu)越。Gray編碼加相移算法向被測物體投射一組Gray編碼圖像和相移光柵圖像，通過對 編碼圖像進行解碼得到相移光柵圖像的級數(shù)，從而實現(xiàn)相位展開叱好9峋。圖2.3為上述編碼值即為空間點所在的周期數(shù)，根據(jù)該編碼方法，測量過程中，必須投 影Gray編碼圖像和相移光柵圖像，而且這兩類圖像需滿

5、足一定的倍數(shù)關(guān)系。以標(biāo)準(zhǔn) 四步相移為例，Gray編碼光櫥的最小柵距應(yīng)為移相光柵圖像相移量的四倍陽。（2）多頻外差原理外差原理是指將兩種不同頻率的相位函數(shù)%和生（公登加得到一種頻率更低 相位函數(shù)（叫 如圖2.5所示,其中垂44分別為相位函數(shù)9（X）中式辦4。） 戲應(yīng)的頻率。他,（外的頻率4經(jīng)過計算可表示為網(wǎng),力：圖2.5外差原理外差原理可以用來對空間點的相對相位值進行展開，為了在全場范圍內(nèi)無歧義的 進行相位展開，必須選擇合適的4和4值，使得4=1。如圖2.6所示，在圖像的 全場范圍內(nèi)，tanalan%的比值等于投影圖像的周期數(shù)比(設(shè)為4,是個常量)， 可采用下式對私(x)進行相位展開：”,=埼

6、+ 0(x)x2%(2.6)其中：已(一時叫。2江 )其中，弓表示初始相位主值的頻率與外差后相位的頻率的比值，表示相位主 值的誤差，A疝表示外差后相位的誤差。按照上述不等式，假設(shè)4=1/64時(即投射 的條紋頻率為1/64),則要求相位主值的誤差小于1/384,才能成功完成相位展開計 算。這對相位主值計算的精度要求太高，實際測量過程中無法完成。為了解決上述問題,Reich等儆川提出使用三種頻率的光柵架進行外差相位解相, 三種光柵的頻率分別為；4 = 1/704=1/64(2.16)4 : 1/59其對應(yīng)的相位主值分別為如玄和使用外差原理分別登加九次和自M，得到 頻率為4?凡3的相位由2和嗎3,由式(2.13)可知：%=6(2.17)43 = 1/5然后再將頻率為的相位強加，得到在全場范用內(nèi)只有一個周期的相位 切，該相位的頻率為；4 = 1，上述計算過程如圖2.7。最后根掂式2.14山皮 向計算出丸弧和血的連續(xù)相位。上述過程中包