結(jié)構(gòu)光測量原理

1、投影柵相位法是三維輪廓測量中的熱點(diǎn)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(jì)算機(jī)中空間相位解調(diào)和時(shí)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(shù)中的相位計(jì)算方法幾乎全是借鑒通信理論中的調(diào)制一解調(diào)技術(shù)。根據(jù)相位檢測方法的不同，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(jì)算包含有被測物體表面三維信息的相位初值因）假設(shè)條紋圖像光強(qiáng)星林淮正弦分布，則其光強(qiáng)分布函數(shù)為：/,（4）=

2、/（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(jì)算的相時(shí)相位值（也被稱為相位主值，其中/但用，和曲工），）為三個(gè)未知后，因此要計(jì)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(yīng)均不相同，因此相位移算法的選取對(duì)相位計(jì)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(biāo)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(jì)兌出的相位主值。(xj)在一個(gè)相位周期內(nèi)是唯一的，但是由于在整個(gè)測量空間內(nèi)有多個(gè)光柵條紋，“(/)呈

3、鋸齒狀分布，必須對(duì)空間點(diǎn)的相位主值進(jìn)行相位展開得到連續(xù)的絕對(duì)相位值叫如圖2.2所示。cJLJUI:TT-14與以上的空間相位展開算法相對(duì)應(yīng)，Huntley等提出了時(shí)間相位展開方法(TemporalPhaseUnwrappingAlgorithm)171737983,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(diǎn)的相位在這個(gè)序列上獨(dú)立.進(jìn)行計(jì)算，從原理上避免了誤差的傳播。這種每點(diǎn)相位可獨(dú)立計(jì)算的特征，使得此方法在解相過程中不受被測物體形貌的影響，可自動(dòng)準(zhǔn)確的測量表面不連續(xù)的物體1暨時(shí)間相位展開方法自提出到現(xiàn)在已有十多年的

4、歷史，這期間發(fā)展非?？?，目前已有多篇綜述性文章對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)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(xiàn)。與空間相位展開方法相比，時(shí)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(shí)，時(shí)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(duì)編碼圖像進(jìn)行解碼得到相移光柵圖像的級(jí)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)相位展開心盼90。圖2.3為上述編碼值即為空間點(diǎn)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編碼光柵的最小柵距應(yīng)為移相光柵圖像相移量的四倍汨。

5、(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(duì)應(yīng)的頻率.中式外的頻率4經(jīng)過計(jì)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(duì)中問點(diǎn)的相對(duì)相位值進(jìn)行展開.為了在全場危用內(nèi)無歧義的進(jìn)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(shè)為凡，是個(gè)常量)，可采用卜.式對(duì)內(nèi)(x)進(jìn)行相位展開：“，=+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

6、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(shè)匕=1/64時(shí)（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(jì)算。這對(duì)相位主值計(jì)算的精度要求太高，實(shí)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(jìn)行外差相位解相,三種光桃的頻率分別為：(2.16)4=1/704=1/644=1/59其對(duì)應(yīng)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(gè)周期的相位小小，該相位的頻率為：4?3=】，上述計(jì)算過程如圖2.7。最后根據(jù)式2.14由r3反向計(jì)算出落和隊(duì)的連續(xù)相位。上述過程中包括