結構光測量原理

1、投影柵相位法是三維輪廓測量中的熱點之一，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的調(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的 相位變化，最后根據(jù)三角法原理完成相位一高度的轉(zhuǎn)換被流人面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，因此基于相位的光柵投射輪廓術 中的相位計算方法幾乎全是借鑒通信理論中的調(diào)制一解調(diào)技術。根據(jù)相位檢測方法的不同，主要有莫爾輪廓術、移相法、變換法。其中移相法應用最為廣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有被測 物體表面三維信息的相位初值因）假設條紋圖像光強星林淮正弦分布，則其光強分 布函數(shù)為：/

2、,（4）= / （x,y）+（居+（2.1）其中為圖像的平均灰度，r（x.p）為圖像的灰度調(diào)制，舟分別為圖像的相 位移.喇2，）為待計算的相時相位值（也被稱為相位主值，其中/但用，和 曲工），）為三個未知后，因此要計算加工J）至少需要使用三張圖像.目前已有多種相移算法，將種算法的穩(wěn)定性和誤差響應均不相同，因此相位移算 法的選取對相位計算及后續(xù)三維重建精度方重要的影響n前相移算法上要有： 標淮N步相移法或等間距滿周明法1網(wǎng).N幀平均算法Ml, N+1步相移算法I砌和任意等 步長相移算法等，2.3相位展開算法通過相位移算法計兌出的相位主值。(xj)在一個相位周期內(nèi)是唯一的，但是由于 在整個測量空間

3、內(nèi)有多個光柵條紋，“(/)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»叫 如圖2.2所示。 c J LJUI :TT-14與以上的空間相位展開算法相對應，Huntley等提出了時間相位展開方法 (Temporal Phase Unwrapping Algorithm)171'73 79'83,O 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，并同步拍攝得到一組受被測物體表面調(diào)制的而變形光柵 條紋圖，然后將每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算的特征，使得此方法在解相過程中不受被測物

4、體形貌 的影響，可自動準確的測量表面不連續(xù)的物體1暨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域進行了系統(tǒng)介紹畋以初，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)相位展開心盼90。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

5、像需滿足一定的倍數(shù)關系。以標準 四步相移為例，Gray編碼光柵的最小柵距應為移相光柵圖像相移量的四倍汨。(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)的(口和傷(x)疊加得到一種頻率更低 相位函數(shù),(x)的,如圖2.5所示,其中分別為相位函數(shù)仍(班/式外，4(幻 對應的頻率.中式外的頻率4經(jīng)過計算可表示為期I：圖2.5外差原理(2.6)外勞原理可以用來對中問點的相對相位值進行展開.為了在全場危用內(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)，lanqjan%的比值等于投影圖像的周期數(shù)比(設為凡，是個常量)， 可采用卜.式對內(nèi)(x)進行

6、相位展開：“，= + a(x)x2;r其中：O、(x) = INT(x)xRf (x)其中，七表示初始相位主值的頻率與外差后相位的頻率的比值，A0表示相位主 值的誤差，中表示外差后相位的誤差。按照上述不等式，假設匕=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等心4”提出使用三種頻率的光柵來進行外差相位解相, 三種光桃的頻率分別為：(2.16)4 = 1/70 4=1/644 = 1/59其對應的相位主值分別為城必和內(nèi)。使用外差原理分別疊加。：必和白，內(nèi)，得到 頻率為為的相位，2和嗎3,由式（2.13）可知：4=1/6（2.17）4 : 1/5然后再將頻率為4,右的相位疊加，得到在全場范圍內(nèi)只有一個周期的相位 小小，該相位的頻率為：4?3 =】，上述計算過程如圖2.7。最后根據(jù)式2.14由r3反 向計算出落和隊的連續(xù)相位。上述過程中包