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(jī)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(shù)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(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(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內(nèi)有多個光柵條紋，“(/)呈

3、鋸齒狀分布，必須對空間點的相位主值進(jìn)行相位展開得到連續(xù)的絕對相位值叫如圖2.2所示。cJLJUI:TT-14與以上的空間相位展開算法相對應(yīng)，Huntley等提出了時間相位展開方法(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，然后將每點的相位在這個序列上獨立.進(jìn)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體形貌的影響，可自動準(zhǔn)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

4、歷史，這期間發(fā)展非常快，目前已有多篇綜述性文章對此領(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(jìn)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(幻對應(yīng)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(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，是個常量)，可采用卜.式對內(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（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(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。上述過程中包括