结构光测量原理

1、投影栅相位法是三维轮廓测量中的热点之一，其测量原理是光栅图样投射到被测物体表面，相位和振幅受到物面高度的调制使栅像发生变形，通过解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理完成相位一高度的转换被流人面在计算机中空间相位解调和时间相位解调没有本质区别，因此基于相位的光栅投射轮廓术中的相位计算方法几乎全是借鉴通信理论中的调制一解调技术。根据相位检测方法的不同，主要有莫尔轮廓术、移相法、变换法。其中移相法应用最为广2.2相位移原理相位移的基本思想是：通过采集多帧有一定相移的条纹图像来计算包含有被测物体表面三维信息的相位初值因）假设条纹图像光强星林淮正弦分布，则其光强分布函数为：/,（4）=

2、/（x,y）+（居+（2.1）其中为图像的平均灰度，r（x.p）为图像的灰度调制，舟分别为图像的相位移.喇2，）为待计算的相时相位值（也被称为相位主值，其中/但用，和曲工），）为三个未知后，因此要计算加工J）至少需要使用三张图像.目前已有多种相移算法，将种算法的稳定性和误差响应均不相同，因此相位移算法的选取对相位计算及后续三维重建精度方重要的影响n前相移算法上要有：标淮N步相移法或等间距满周明法1网.N帧平均算法Ml,N+1步相移算法I砌和任意等步长相移算法等，2.3相位展开算法通过相位移算法计兑出的相位主值。(xj)在一个相位周期内是唯一的，但是由于在整个测量空间内有多个光栅条纹，“(/)呈

3、锯齿状分布，必须对空间点的相位主值进行相位展开得到连续的绝对相位值叫如图2.2所示。cJLJUI:TT-14与以上的空间相位展开算法相对应，Huntley等提出了时间相位展开方法(TemporalPhaseUnwrappingAlgorithm)171737983,O这种方法通过投射一系列不同频率的条纹图到被测物体表面，并同步拍摄得到一组受被测物体表面调制的而变形光栅条纹图，然后将每点的相位在这个序列上独立.进行计算，从原理上避免了误差的传播。这种每点相位可独立计算的特征，使得此方法在解相过程中不受被测物体形貌的影响，可自动准确的测量表面不连续的物体1暨时间相位展开方法自提出到现在已有十多年的

4、历史，这期间发展非常快，目前已有多篇综述性文章对此领域进行了系统介绍畋以初，此方面的具体内容请参考上述文献。与空间相位展开方法相比，时间相位展开需要的图像更多，因此，当能够记录多幅图像且速度能满足要求时，时间相位展开方法要更优越。Gray编码加相移算法向被测物体投射一组Gray编码图像和相移光栅图像，通过对编码图像进行解码得到相移光栅图像的级数,从而实现相位展开心盼90。图2.3为上述编码值即为空间点所在的周期数，根据该编码方法，测量过程中，必须投影Gray编码图像和相移光栅图像,而且这两类图像需满足一定的倍数关系。以标准四步相移为例，Gray编码光栅的最小栅距应为移相光栅图像相移量的四倍汨。

5、(2)多频外差原理外差原理是指将两种不同频率的相位函数的(口和伤(x)叠加得到一种频率更低相位函数,(x)的,如图2.5所示,其中分别为相位函数仍(班/式外，4(幻对应的频率.中式外的频率4经过计算可表示为期I：图2.5外差原理(2.6)外劳原理可以用来对中问点的相对相位值进行展开.为了在全场危用内无歧义的进行相位展开，必须选择合适的4和4值，使得4=1。如图2.6所示，在图像的全场范围内，lanqjan%的比值等于投影图像的周期数比(设为凡，是个常量)，可采用卜.式对内(x)进行相位展开：“，=+a(x)x2;r其中：O、(x)=INT(x)xRf(x)其中，七表示初始相位主值的频率与外差后

6、相位的频率的比值，A0表示相位主值的误差，中表示外差后相位的误差。按照上述不等式，假设匕=1/64时（即投射的条纹频率为1/64）,则要求相位主值的误差小于1/384,才能成功完成相位展开计算。这对相位主值计算的精度要求太高，实际测量过程中无法完成。为了解决上述问题,Reich等心4”提出使用三种频率的光栅来进行外差相位解相,三种光桃的频率分别为：(2.16)4=1/704=1/644=1/59其对应的相位主值分别为城必和内。使用外差原理分别叠加。：必和白，内，得到频率为为的相位，2和吗3,由式（2.13）可知：4=1/6（2.17）4:1/5然后再将频率为4,右的相位叠加，得到在全场范围内只有一个周期的相位小小，该相位的频率为：4?3=】，上述计算过程如图2.7。最后根据式2.14由r3反向计算出落和队的连续相位。上述过程中包括