投射离焦三维测量方法

　　1　引　言

　　离焦三维测量是通过比较不同摄像参数下两幅物体图像的离焦程度来获取物体的三维深度信息的。由于采用了同轴照明,所以消除了三角测量的阴影问题以及双目视觉和运动视觉的闭塞问题。它不像调焦三维测量那样需拍摄大量的物体图像[1]。离焦三维测量具有计算简单,便于进行实时测量的优点,是一种很有潜力的测量方法。离焦三维测量方法已被广泛地应用于物体探伤、物体识别、机械制造、人工智能等领域。离焦三维测量可分为主动三维离焦测量和被动三维离焦测量。主动三维离焦测量方法具有较高的精度;被动三维离焦测量测量精度低,但系统简单,在无法控制测量环境时具有突出的优势[2]。

　　传统的主动离焦三维测量是通过改变摄像系统的数值孔径、摄像面的位置、摄像镜头的焦距、或这些参数的组合来实现三维测量的[3]。改变摄像系统的数值孔径将会改变传播到摄像面的光能量。当数值孔径变小时,摄像面上的光强将会很弱,拍摄的图像有较大的噪声。改变摄像面的距离将会改变物体图像的大小,使相对模糊的计算变得困难。尽管可以采用图像插补方法和远心光路方法来解决对应点的问题,但插补方法会产生光滑效应,而用远心摄像透镜需要附加一个光阑,这个附加光阑将会极大地减小投射到摄像面上的光能量,限制了其使用围[4]。改变摄像镜头的焦距同样会改变物体像的大小。为了解决离焦测量中的这些问题,本文提出一种新的主动离焦三维测量方法,这种方法的要点是通过改变投射光路的参数(投射光路的焦距、投射模板的对焦平面位置、投射系统的孔径光阑以及它们的组合)来进行离焦三维测量的。采用这种方法进行主动离焦三维测量可以保持系统的摄像光路的参数不变,只需改变投影系统的参数,拍摄两幅不同投射参数的物体图像就可以找出该处的物体深度,实现物体的主动三维离焦测量。

　　在投射光路中实现主动离焦三维测量有如下两个优点:首先它不仅消除了传统方法中的图像放大率的变化问题,而且也消除了由于改变摄像光路中的孔径光阑引起的光强的变化问题;其次是增加了主动离焦三维测量的可选办法,扩大了主动离焦三维测量的使用范围。在投射系统内实现物体的三维离焦测量也带来了一个新的问题,由于需改变投射系统的投射参数,因而会导致同一物点相应的两次投射的位相变化,两次投射的相移将可能引起测量误差。本文首先建立投射光路来实现主动三维测量的离焦模型,在这个模型的基础上找到实现三维测量的方法,然后分析投射模式相移变化对三维测量的影响。

　　2　原理