仪器原理
如图1所示,结构光法以非接触式几何光学法测量微型元件的形貌轮廓作为理论基础,由光栅投射器将被调制过的编码条纹光栅投射至待测物表面,再以两台数码摄像机作取像动作,得到投射到物体表面的变形的条纹图像,条纹的变形程度取决于光栅投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上,条纹在法线方向的位移(或偏移)与物体表面高度变化成正比,条纹的扭结表示平面的变化,不连续表示表面的物理突变或间隙。当光栅投射器与数码摄像机之间的相对位置一定时,由摄像机摄得变形的条纹图像,通过工作站计算机来解调图像信息,最后利用合并Gray码与相位移法计算得到其绝对相位,配合三角法测量原理,便可重现物体表面形廓。
图1中,P点为两台数码摄像机光轴的交点(光学三角形的一个顶点),α为两台数码摄像机光轴的夹角,0010010为光栅的编码。
图2为结构光法成像模型,其中(xw,yw,Zw)为世界坐标系,(xc,yc,zc)为摄像机坐标系,(X,Y)为图像坐标系。摄像机坐标系的原点在世界坐标系中的坐标为(Ix,0,Iz)。将世界坐标系下的点变换到摄像机坐标的方法为:首先作平移[-Ix,0,Iz〕,然后绕OcXc。轴旋转180°,再绕OcYc轴旋转β角,最后再变换到图像坐标系中。世界坐标系与摄像机坐标系坐标变换可用下式来表示:
设结构光人射平面通过点(O,O,Pz),其方程为:
式中,θ为结构光人射平面与世界坐标系Z轴的夹角。
图像坐标系与摄像机坐标系变换关系为:
式中,Xu,Yu为像素点在图像坐标系中的坐标;f为摄像机焦距。 由式(1)、(2)、(3)可以得到被测物体表面上任一点在世界坐标系下的坐标(xw,yw,zw)与图像坐标系的变换关系,即结构光三维成像模型为:
式中,
结构光法三维成像模型中的Pz,Ix,Iz,θ,β,f等参数值通过仪器的三维空间信息与摄像机采集到的图像信息的对应关系来确定。
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