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专利号: 2023114509105
申请人: 武汉工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-17
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、搭建光栅投影三维测量系统,该光栅投影三维测量系统包括垂直摆放的投影仪与相机,其中投影仪中烧录多组合成光栅图像;

S2、对光栅投影三维测量系统进行相位与高度的映射关系标定,具体为拍摄至少三组具有已知高度平面的光栅相移图片,并计算其绝对相位,得到相位与高度的映射关系;

S3、制作具有周期关系的光栅图案并求得其相对相位,将相对相位做差后得到低频相位,然后将低频相位做差后得到单频相位,最后将得到的低频相位和单频相位通过投影仪投影到待重建物体上,通过相机拍摄得到待重建物体的合成光栅图片并计算出合成光栅图片的相对相位;

S4、对合成光栅图片的相对相位进行解相位计算,得到连续绝对相位,关联不同频率的相位并建立相位误差模型,基于相位误差模型对待重建物体的合成光栅图片的相对相位进行相位误差补偿,得到补偿后的绝对相位;

S5、根据补偿后的绝对相位并利用标定好的相位与高度的映射关系得到待测物体的高度,结合待测物体坐标与对应高度得到物体的三维信息。

2.根据权利要求1所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,步骤S1中搭建光栅投影三维测量系统的具体方法为:将投影仪与相机垂直固定摆放,将合成光栅图像烧入投影仪,调整投影仪使得投影出的光栅图案可覆盖物体待测部分;调整相机使得相机视场可拍摄到待测部分;相机与投影仪之间使用同步触发模式。

3.根据权利要求1所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,步骤S2的具体方法为:拍摄三组具有已知高度平面的相移光栅图片,计算每组平面的相位:(1)

(2)

其中 表示第一组高度为0的平面某点的参考相位, 表示由物体畸变引起的某点的相位分布,N为相移步数, 为条纹图案某点的灰度;

采用二次曲线拟合的方法,得到相位到高度的映射方程为:(3)

代入一组高度为0的平面相位以及三组非零高度平面的高度与相位,计算得到某点的三个未知参数 、 、 ,从而得到整个系统的相位与高度的映射关系。

4.根据权利要求1所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,步骤S3的具体方法为:由下式制作出周期分别为T1、T2、T3的三组光栅条纹:(4)

其中, (T1‑T2)‑(T2‑T3)=1, 为条纹图案某点的灰度,row为光栅图案的行数,、 分别为某点的背景光强与调制强度,N为相移步数,T为相移周期;

利用相移法对光栅图案进行计算,得到光栅图案的相对相位:(5)

(6)

其中, 是每幅光栅图案某点的像素值, 是由n幅相移光栅计算出某点的相对相位,N为相移步数,利用下式对相对相位进行做差计算:(7)

其中 和 是周期为T1和T2某点的相对相位, 为 和做差后得到某点的相对相位, 为 和 做差后得到某点的相对相位, 为 和 做差后得到某点的相对相位;

将 和 的相位图案烧入投影仪,通过投影仪投影,再由相机拍摄投影在待测物体上的合成形变光栅条纹图,并计算相对相位。

5.根据权利要求1所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,步骤S4的具体方法为:相位与被测物体表面某点有如下关系:

(8)

(9)

(10)

(11)

式中 表示生成的相对相位 的节距,节距为图案行数/周期, 表示光栅条纹级数,其包含整数部分 和小数部分 , 表示绝对相位;因为制作光栅图时,其周期关系为(T1‑T2)‑(T2‑T3)=1,则其对应的节距 、 、 使得相对相位 的节距 覆盖全场,即周期为1,此时只有一个条纹,则条纹级数的整数部分 为零,即(12)

(13)

(14)

(15)

其中round()表示取最邻近的整数;

在投影仪、相机和被测物体相对位置不变的情况下,式(14)和式(15)所算出来的绝对相位相同,但由于包裹相位误差的影响,导致两种方法解出来的相位差异较大,所以先假设出误差值:(16)

其中 、 表示实际的包裹相位值, 、 表示理论的包裹相位值, 、 表示包裹相位的误差值;

因为直接投影合成图案后省去了做差的步骤,所以包裹相位的误差在计算中没有额外的叠加,则有(17)

其中 为 的节距,节距为图案行数/周期,设上式计算得到绝对相位之差为ζ,(18)根据理想情况下两者相等,则有

(19)

由此得

(20)

将大于2π的误差值视为阴影区域不参与误差补偿与计算:(21)

则补偿之后的展开相位为:

(22)

在生成点云时,跳过相位为0的部分即可消除阴影的区域。

6.根据权利要求1所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,步骤S5的具体方法为:根据展开后的相位,利用标定好的相位高度映射参数,得到物体高度信息:(23)

其中 , 表示第一组高度为0的平面某点的参考相位, 为某点的相对相位值, 、 、 为某点相位高度映射参数;

利用物体高度信息得到每个像素坐标对应的高度,从而得到物体的三维点云信息:(24)

其中 为物体某点的三维坐标,( , )为物体某点像素对应的世界坐标。

7.根据权利要求1‑6中任一项所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法,其特征在于,待重建物体为电路板。

8.一种基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正系统,其特征在于,包括:测量系统搭建模块,用于搭建光栅投影三维测量系统,该光栅投影三维测量系统包括垂直摆放的投影仪与相机,其中投影仪中烧录多组合成光栅图像;

标定模块,用于对光栅投影三维测量系统进行相位与高度的映射关系标定,具体为拍摄至少三组具有已知高度平面的光栅相移图片,并计算其绝对相位,得到相位与高度的映射关系;

相对相位计算模块,用于制作具有周期关系的光栅图案并求得其相对相位,将相对相位做差后得到低频相位,然后将低频相位做差后得到单频相位,最后将得到的低频相位和单频相位通过投影仪投影到待重建物体上,通过相机拍摄得到待重建物体的合成光栅图片并计算出合成光栅图片的相对相位;

相位补偿模块,用于对合成光栅图片的相对相位进行解相位计算,得到连续绝对相位,关联不同频率的相位并建立相位误差模型,基于相位误差模型对待重建物体的合成光栅图片的相对相位进行相位误差补偿,得到补偿后的绝对相位;

三维信息根据补偿后的绝对相位并利用标定好的相位与高度的映射关系得到待测物体的高度,结合待测物体坐标与对应高度得到物体的三维信息。

9.一种电路板三维重建的方法,其特征在于,该方法利用权利要求1‑6中任一项所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法进行电路板的三维重建。

10.一种计算机存储介质,其特征在于,其内存储有可被处理器执行的计算机程序,该计算机程序执行权利要求1‑6中任一项所述的基于光栅投影三维重建的相位误差模型校正方法。