一种多频率结构光三维测量设备和方法
专利汇可以提供一种多频率结构光三维测量设备和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种多 频率 结构光三维测量设备和方法，该三维测量设备主要包括载物平台、 支撑 杆、紧固 支架 、X轴滑轨、Y轴滑轨、光栅投影仪、摄像机、以及用于采集被测物图像的采集设备。该测量方法主要包括步骤S11：成像系统机械 位置 校准；步骤S12：设备标定步骤；步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算；步骤S21：触发摄像机、采集图像；步骤S22： 相位 解包裹；步骤S23：左右投影数据配准；步骤S24：根据点 云 进行 三维重建 。本发明采用高 帧 率DLP投影机，能有效提高投影光栅正弦性 精度 ，同时提高光栅的投射效率，另一方面使用四步 相移 和五频率 迭代 算法 计算物体三维坐标，可将精度提升到0.005mm。，下面是一种多频率结构光三维测量设备和方法专利的具体信息内容。
1.一种多频率结构光三维测量设备，其特征在于，包括载物平台、支撑杆、紧固支架、X轴滑轨、Y轴滑轨、光栅投影仪、摄像机、以及用于采集被测物图像的采集设备；所述载物平台固定设置；所述支撑杆的一端安装在载物平台上，另一端竖直向上延伸并与紧固支架连接；所述紧固支架设置在支撑杆上，与支撑杆滑动连接并可锁紧在支撑杆上；所述X轴滑轨固定在紧固支架上，并垂直紧固支架设置；所述摄像机朝下安装在X轴滑轨上，并分别与光栅投影仪和采集设备电连接；所述Y轴滑轨分别安装在紧固支架的两侧上，并关于X轴滑轨对称设置；所述光栅投影仪朝下分别安装在两侧的Y轴滑轨上，并与采集设备电连接；所述采集设备设为工控电脑或用于采集并分析图像的设备。
2.根据权利要求1所述的多频率结构光三维测量设备，其特征在于，所述紧固支架采用凸形结构设计，凸形的上部安装X轴滑轨，两侧安装Y轴滑轨。
3.根据权利要求2所述的多频率结构光三维测量设备，其特征在于，所述凸形上部还设有用于调节X轴滑轨安装高度的引导槽；所述引导槽设为两根，并排且竖直设置；所述X轴滑轨通过螺钉安装在引导槽上。
4.根据权利要求1所述的多频率结构光三维测量设备，其特征在于，所述光栅投影仪的光轴与摄像机光轴相交于载物平台，且二者之间的夹角小于30°。
5.根据权利要求1所述的多频率结构光三维测量设备，其特征在于，所述摄像机对载物平台的视野面积不大于60mm*70mm。
6.根据权利要求1所述的多频率结构光三维测量设备，其特征在于，所述摄像机采用高分辨率式面阵工业相机,其图像采集频率大于60Hz；所述摄像机采集延时小于6ms，且以每秒60张的速率采集图像；所述光栅投影仪使用高分辨率式DLP投影仪，其投射光栅频率最高为120Hz。
7.一种多频率结构光三维测量设备的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括步骤S1：设备初始化和步骤S2：测量工作两大部分，步骤S1包括如下具体步骤：
步骤S11：成像系统机械位置校准：调节紧固支架的高度，来改变摄像机的物距；调节摄像机镜头的焦距使待测物体清晰成像；调节光栅投影仪的位置、角度和焦距，使其在视野中心呈清晰、完整的像；
步骤S12：设备标定步骤：使用9*11圆心平板标定板进行设备标定，摄像机和光栅投影仪位置固定后，将标定板放置在摄像机视野范围内，左、右光栅投影仪依次投射光栅，触发摄像机获取两组图像；移动标定板至视野范围内5个不同的位置采集图像，将采集图像发送至主机进行标定计算；
步骤S13：摄像机和光栅投影仪内外参数计算：将拍摄的图像转换成灰度图，找到标定图像中圆形，获取圆形参数，计算摄像机和光栅投影仪的内参、外参；
设备初始化后，设备可进行测量，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21：触发摄像机、采集图像：将待测物体放置在摄像机视野中心位置，启动左、右投影依次投射光栅，同时触发摄像机采集图像，使用四步相移法，投射五频率光栅，单投影采集20张光栅图和1张白光图；
步骤S22：相位解包裹：使用多频率光栅迭代法计算出每个像素点的绝对相位值；
步骤S23：左右投影数据配准：对左、右投影分别获取的物体三维信息进行配准、筛选，删除多余三维坐标，生成点云；
步骤S24：根据点云进行三维重建。
8.根据权利要求7所述的多频率结构光三维测量设备的测量方法，其特征在于，所述步骤S22采用四步相移法来抑制环境光和噪声的干扰，使用五频率迭代法来解相位，从而提高测量的精度，其具体步骤如下：
步骤S221：光栅投影仪投射正弦光栅到三维物体表面，摄像机摄取物体表面的变形条纹图，图像为：
In(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)cos[φn(x,y)+2πn/N] (1)
其中：In(x,y)为该像素点的灰度值，I′(x,y)为背景光强，I″(x,y)为光栅条纹增益,φ(x,y)为待求相位场，2πn/N为相移，采用四步相移，则n∈{0,1,2,3},N＝4；
步骤S222：计算包裹相位值：使用摄像机拍摄光栅图像，四步相移法同频率光栅可获得四幅图像，通过图像处理，获取图像每一像素的灰度值，同频率光栅同一像素点可获得四个灰度值，分别为I0,I1,I2,I3，由公式(2)
可计算出相位主值Φ(x,y)，其被包裹在(-π,π)的区间内，为了得到绝对相位需要进行解相位，又叫相位解包裹；
步骤S223：绝对相位计算原理：光栅投影仪向待测物体投射五频率光栅，光栅频率用fi表示，分别为x0,x1,x2,x3,x4，相应的光栅节距用p0,p1,p2,p3,p4表示，其中x0＝1，当光栅频率f0＝1时，相位主值等于绝对相位，ni,i∈{0,1,2,3,4}为条纹的级数，有如下等式成立：
pini＝pjnj,i,j∈{0,1,2,3,4} (3)
ni＝Ni+Δni,Ni∈Z (4)
其中，Φi(x,y)是第i幅光栅条纹的包裹相位，Ni为条纹级数中的整数部分，Δni为条纹级数的小数部分，由公式
φi(x,y)＝2πNi+Φi(x,y) (6)
可计算出绝对相位φi(x,y)；
步骤S224：计算绝对相位：当光栅频率f0＝1时，节距p0覆盖整个视场，有n0＝Δn0，n0p0＝n1p1，由(4)式可知
其中floor()表示向下取整，又由 和公式(5)得
由公式(6)和公式(8)可算出φ1，如公式(9)所示
φ1(x,y)＝2πN1+Φ1(x,y) (9)；
步骤S225：使用频率迭代法计算绝对相位：由等式(3)和等式(7)可得
则计算出φ2，同理，经过4次迭代计算出绝对相位φ4；
4
步骤S226：第五种条纹光栅的频率为x ，当x＝3时光栅的节距为1280/81个像素，可实现高精度测量。
一种多频率结构光三维测量设备和方法
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