專利名稱：基于振幅型透射光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及三維內(nèi)窺測量裝置，特別是一種基于振幅型透射光柵投影的三維內(nèi) 窺測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡是一種光機(jī)電相結(jié)合的精密儀器，用于觀察人眼所不能直接觀察到或者 不方便觀察的體內(nèi)組織和結(jié)構(gòu)，為醫(yī)學(xué)診斷，特別是微創(chuàng)手術(shù)提供科學(xué)的診斷信息。 從最初的硬管內(nèi)窺鏡到現(xiàn)在的纖維內(nèi)窺鏡以及電子內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡的技術(shù)發(fā)展曰臻 成熟。
現(xiàn)行的內(nèi)窺鏡，包括纖維內(nèi)窺鏡和電子內(nèi)窺鏡。內(nèi)窺鏡在結(jié)構(gòu)上包括照明系統(tǒng) 和圖像采集系統(tǒng)。照明系統(tǒng)將光源(常用的如鹵素冷光源)產(chǎn)生的照明光束導(dǎo)入待 測組織內(nèi)部，為成像系統(tǒng)提供觀察所需的光能量。現(xiàn)行的照明系統(tǒng)多采用非結(jié)構(gòu)光 光源照明，照明光源本身不包含任何編碼信息。圖像采集系統(tǒng)通過導(dǎo)像束或者CCD 相機(jī)采集待測組織的光場的分布信息，得到待測組織的二維圖像。
這種內(nèi)窺圖像所包含的信息反映了待測組織的平面信息，圖像處理工作集中在 提高現(xiàn)有平面圖像的質(zhì)量(例如，清晰度和彩色圖像)和消除由于系統(tǒng)產(chǎn)生的各種 像差。法國的J.F.Rey等將內(nèi)窺鏡輸出的視頻信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像分析和處 理[參見在先技術(shù)1: J.F.Rey,etc，al., Electronic Video Endoscopy: Preliminary Results of Imaging Modification, Endoscopy, Vol. 20,1988: 8-10]。意大利的S.Guadagni等以電子 內(nèi)窺鏡和一臺(tái)386計(jì)算機(jī)為核心，研制了電子內(nèi)窺鏡圖像處理分析系統(tǒng)[參見在先技 術(shù)2: S. Guadagni,etc,al.， Imaging in Digestive Videoendoscopy, SPIE, Optic Fibers in Medicine, Vol.l420，1991:178-182]。特別是微型CCD的出現(xiàn)，極大的提高了平面圖像 所包含的信息質(zhì)量。這些技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)學(xué)診斷創(chuàng)造了良好的條件。
但是，現(xiàn)行的內(nèi)窺鏡由于光源所包含的信息非常少，只能得到待測組織的平面 二維信息，顯然在測量過程中丟失了包含物體相對(duì)深度和橫向尺寸的三維面形分布 信息。這種三維面形分布信息的丟失給科學(xué)診斷帶來了很大的限制?？朔@種缺點(diǎn) 的方法是采用光學(xué)的三維測量技術(shù)，這種技術(shù)能有效同內(nèi)窺成像技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，從 而得到測量目標(biāo)的三維面形分布，提供測量目標(biāo)的三維面形信息。
光學(xué)三維面形測量技術(shù)是一類成熟的測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量等領(lǐng)域， 具有精度高，速度快以及非接觸性測量等優(yōu)點(diǎn)。基于結(jié)構(gòu)光投影的光學(xué)三維面形測 量技術(shù)采用主動(dòng)光學(xué)三維測量，對(duì)光源進(jìn)行編碼，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光源(點(diǎn)，線，光柵條紋等)，利用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光源照明測量目標(biāo)。通過測量目標(biāo)三維表面對(duì)照明結(jié)構(gòu)光進(jìn) 行調(diào)制的結(jié)果，獲取測量目標(biāo)表面面形信息的光場分布。通過圖像釆集系統(tǒng)采集測 量目標(biāo)表面光場分布，經(jīng)過三維面型信息解調(diào)算法，得到物體的三維面形數(shù)據(jù)，重 建測量目標(biāo)的三維面形分布。特別的，利用光柵條紋作為結(jié)構(gòu)光的傅立葉變換輪廓 術(shù)(FTP)， TakedaMitsuo等于1983年提出此種方法[參見在先技術(shù)3: TakedaMitsuo, Mutoh Kazuhiro, "Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes", Applied Optics, Vol.22， Issue.24,1983]。這種方法利用光柵條紋光場作 為結(jié)構(gòu)光源，通過對(duì)圖像強(qiáng)度分布進(jìn)行傅立葉變換、濾波、反傅立葉變換、位相展 開等圖像處理和信息解調(diào)算法，得到測量目標(biāo)的三維面形分布。
一種已知內(nèi)窺三維測量技術(shù)方案基于激光高度掃描技術(shù)。但是這種高度掃描系 統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需時(shí)間較長，實(shí)施方案繁瑣。
周常河，王曉鑫，張軍等提出的基于導(dǎo)像束的光柵投影三維測量方法和裝置(周 常河，王曉鑫，張軍等，"基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置和方法"，發(fā)明專利， 申請(qǐng)?zhí)?00810037012.6)。上述發(fā)明中利用導(dǎo)像束作為照明結(jié)構(gòu)光的傳輸通道，實(shí)施 中必須考慮到導(dǎo)像束的分辨率匹配，導(dǎo)像束和光路之間的耦合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服上述現(xiàn)有內(nèi)窺鏡輸出圖像中三維面形信息的丟失的技術(shù) 問題，提供一種基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置和方法，以獲得內(nèi)窺測量 目標(biāo)的三維面形分布信息，并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置，其特征在于由發(fā)光二極管光源 (以下簡稱為LED光源)、準(zhǔn)直透鏡組、振幅型透射光柵、投影微透鏡組、微型面陣 CCD相機(jī)、導(dǎo)線、LED光源供電模塊、信號(hào)傳輸線、圖像采集卡、數(shù)據(jù)傳輸線和計(jì)算 機(jī)構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所述LED光源電源模塊經(jīng)過所述的導(dǎo)線與所述的LED 光源連接，所述的LED光源發(fā)出的光束依次經(jīng)所述的準(zhǔn)直透鏡、振幅型透射光柵形 成和投影微透鏡組，照射在待測目標(biāo)表面，由所述的微型面陣CCD相機(jī)采集被待測 目標(biāo)三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機(jī)經(jīng)信號(hào)傳輸線、圖像 采集卡、數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)入所述的計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)具有相應(yīng)的圖像處理和三維面 形重構(gòu)算法和軟件，所述的投影微透鏡組、振幅型透射光柵、準(zhǔn)直透鏡組、LED光 源和微型面陣CCD相機(jī)都集成在一直管套筒之內(nèi)。
所述的微型面陣CCD相機(jī)的光軸和投影微透鏡組的光軸之間有一小夾角，該夾 角的取值范圍為10° 15° 。利用上述基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置進(jìn)行測量的方法，包括下列 步驟
①采集參考平面上的光柵條紋圖像
測量物體三維面形之前，首先利用所述的微型面陣CCD相機(jī)和圖像采集卡采集 一幅參考平面上的光柵條紋圖像，
<formula>formula see original document page 6</formula>存儲(chǔ)于所述的計(jì)算機(jī)中；
②采集待測目標(biāo)上的形變光柵條紋圖像
將所述的微型面陣CCD相機(jī)對(duì)準(zhǔn)待測目標(biāo)，調(diào)整位置，使待測目標(biāo)在該微型面 陣CCD相機(jī)上清晰成像，采集待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生形變的光柵條紋圖像<formula>formula see original document page 6</formula>存儲(chǔ)于所述的計(jì)算機(jī)中；
③所述的計(jì)算機(jī)計(jì)算兩幅圖像位相差，重構(gòu)待測目標(biāo)的三維面形 *采集參考平面條紋圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到參考平面條紋圖像的復(fù)數(shù)信
號(hào)<formula>formula see original document page 6</formula>并存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)中；
，采集測量目標(biāo)調(diào)制的形變條紋圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到形變條紋圖像復(fù)
數(shù)信號(hào)<formula>formula see original document page 6</formula>存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)中；
*將上述參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)和形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)代入下式進(jìn)行計(jì)
算
<formula>formula see original document page 6</formula>得到兩幅圖像的相對(duì)位相差；<formula>formula see original document page 6</formula> 由于計(jì)算機(jī)計(jì)算的反正切值位于[-;r,;t]，因此相對(duì)位相分布存在不連續(xù)躍變， 要對(duì)計(jì)算的位相差進(jìn)行相位展開；
最后利用<formula>formula see original document page 6</formula>重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布，
式中, r0(x,y), r(x,y)分別表參考平面和待測目標(biāo)的表面反射率，A表示各級(jí)傅 立葉級(jí)數(shù)的權(quán)重因子，外&W和^(3c,:^表示條紋圖像未經(jīng)調(diào)制和經(jīng)過調(diào)制的位相分布， /e表示振幅型透射光柵的光柵條紋的基頻。
所述的圖像處理包括前期圖像處理和傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換， 所述的前期圖像處理包括通常的數(shù)字圖像的中值濾波和均值濾波；圖像的幾何變換， 剪除邊緣畸變部分，以防止相位展開中不連續(xù)點(diǎn)的擴(kuò)散；圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉(zhuǎn)換，所述的前期圖像處理用以提高圖像的對(duì)比度，減少圖像噪聲。 所述的參考平面條紋圖像的采集、處理一次完成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)中，
可反復(fù)使用。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置和方法，將傅立葉變換輪廓術(shù) 應(yīng)用于內(nèi)窺測量，解決掃描部件復(fù)雜、控制精度要求高、測量時(shí)間長等技術(shù)問題。 這種測量方法只需要一幀被測量目標(biāo)高度調(diào)制的形變條紋圖像就可以計(jì)算出物體的 三維面形分布。相比現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，它能夠獲得內(nèi)窺對(duì)象的三維高度分布信息， 并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明還避免了導(dǎo)像束 方案存在的分辨率匹配，導(dǎo)像束和光路耦合等問題，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便。


圖1是本發(fā)明基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置的示意圖。 圖2是本發(fā)明所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置的示意 圖。由圖可見，本發(fā)明基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置，由LED光源5、 準(zhǔn)直透鏡組4、振幅型透射光柵3、投影微透鏡組2、微型面陣CCD相機(jī)6、導(dǎo)線7、 LED光源供電模塊8、信號(hào)傳輸線9、圖像采集卡10、數(shù)據(jù)傳輸線11和計(jì)算機(jī)12構(gòu) 成，各部件的連接關(guān)系是所述LED光源電源模塊8經(jīng)過導(dǎo)線7與所述的LED光源 5連接，所述的LED光源5發(fā)出的光束依次經(jīng)所述的準(zhǔn)直透鏡4、振幅型透射光柵3 和投影微透鏡組2，照射在待測目標(biāo)表面，由所述的微型面陣CCD相機(jī)6采集被待 測目標(biāo)三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機(jī)6經(jīng)所述的信號(hào)傳 輸線9、圖像采集卡IO、數(shù)據(jù)傳輸線11進(jìn)入計(jì)算機(jī)12,所述計(jì)算機(jī)12具有相應(yīng)的 圖像處理和三維面形重構(gòu)算法和軟件，所述的投影微透鏡組2、振幅型透射光柵3、 準(zhǔn)直透鏡組4、 LED光源5和微型面陣CCD相機(jī)6都集成在一直管套筒13之內(nèi)。 本發(fā)明的所采用的測量原理即傅立葉變換輪廓術(shù)的基本物理原理如下-參閱圖2，圖2是本發(fā)明所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)的光路原理圖。P1P2表示 投影光路的光軸方向，L1L2表示圖像采集光路的光軸方向。參考平面S0是一個(gè)假 想的平面，作為待測平面Sl的測量參考。^x,力表示在物體表面D點(diǎn)相對(duì)參考平
面對(duì)應(yīng)坐標(biāo)處的高度，d表示圖像采集光路的入瞳和光柵投影光路之間的距離，當(dāng)光路結(jié)構(gòu)確定后，d為已知量。Lo表示圖像采集光路入瞳和參考平面的距離，同樣 在系統(tǒng)中為已知量。
沒有待測表面時(shí)即h(x,y)=0，在參考平面上，條紋圖像為原始的投影條紋，沒 有形變，其光場分布可以表示為:
<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
當(dāng)上述原始投影條紋圖像投影到待測表面時(shí)，待測表面的高度分布/2(X,力-0， 得到形變的條紋圖像，其光場分布可以表示為
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中，r0(x,y)r0， r(x,y)表示上述兩種情況的非均勻的表面反射，An表示各級(jí)傅立 葉級(jí)數(shù)的權(quán)重因子，ρ0和ρ表示條紋圖像未經(jīng)調(diào)制和經(jīng)過調(diào)制兩種情況下的位相分 布,f0表示投影條紋的基頻。
對(duì)(1)式沿x軸進(jìn)行一維傅立葉變換獲得傅立葉頻譜，選擇合適的濾波函數(shù)(常 用的濾波函數(shù)有矩形窗函數(shù))，對(duì)得到的頻譜進(jìn)行濾波，提取基頻分量后進(jìn)行傅立葉 反變換，可以得到復(fù)數(shù)信號(hào)
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
對(duì)(2)式進(jìn)行同樣的處理，結(jié)果得到變形條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)-
<formula>formula see original document page 8</formula> (4 )
比較(3)和(4)式，所測物體三維面形調(diào)制投影光柵條紋的結(jié)果導(dǎo)致復(fù)指數(shù)項(xiàng)中 的位相發(fā)生了變化，大小為Ap(x,力
<formula>formula see original document page 8</formula> (5)
Re[g(i,力g。"力] 另外一個(gè)方面，從光路示意圖2中，由幾何光路可知
<formula>formula see original document page 8</formula> (6)
<formula>formula see original document page 8</formula> (7)
由(6) (7)式可以計(jì)算待測高度h(x， y)和高度調(diào)制導(dǎo)致的位相差Δρ(x, y)之間的
表達(dá)關(guān)系式<formula>formula see original document page 8</formula> (8)在具體的測量過程中，通過(5)式從參考條紋圖像和受到測量目標(biāo)高度調(diào)制的 形變條紋圖像中進(jìn)行差值計(jì)算，得到位相差A(yù)p(;c,y)的數(shù)值，然后由(8)式給出高
度分布的信息。
利用上述光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置進(jìn)行測量的方法，包括下列步驟
① 采集參考平面上的條紋分布圖樣測量物體三維面形之前，首先利用微型面 陣CCD相機(jī)和圖像采集卡采集一幅參考平面上的光柵條紋圖像，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中；
② 采集測量目標(biāo)上的形變光柵條紋分布圖像將所述的內(nèi)窺三維測量裝置的微 型面陣CCD相機(jī)對(duì)準(zhǔn)被測對(duì)象，調(diào)整位置，使測量目標(biāo)在該微型面陣CCD相機(jī)上
清晰成像，采集待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生形變的光柵條紋圖像，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)
中；
③ 計(jì)算機(jī)計(jì)算兩幅圖像位相差，重構(gòu)所測目標(biāo)的三維面形
*采集參考平面條紋圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析利用微型面陣CCD相機(jī) 拍攝，進(jìn)行必要的前期圖像處理包括通常的數(shù)字圖像的中值濾波和均值濾波；圖 像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，以防止相位展開中不連續(xù)點(diǎn)的擴(kuò)散；圖像的色 彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉(zhuǎn)換。所述的前期圖像處理用以提高圖像的對(duì)比度， 減少圖像噪聲。然后進(jìn)行傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，得到參考平面條
紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)^。(;c，力々。Oc,y)exP(。^/^ + A(x，力)，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；
，采集測量目標(biāo)調(diào)制的形變條紋圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析利用微型面 陣CCD相機(jī)拍攝測量目標(biāo)調(diào)制的形變條紋圖像，進(jìn)行必要的前期圖像處理。包括數(shù) 字圖像濾波技術(shù)，中值濾波，均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，防 止相位展開中不連續(xù)點(diǎn)的擴(kuò)散。圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉(zhuǎn)換。所 述的前期圖像處理用以提高圖像的對(duì)比度，減少圖像噪聲。然后進(jìn)行通常的傅立葉 變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，得到形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)
^ (i，;;) = 4" exp (/2k/。x + -(x，力)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中； *計(jì)算參考條紋圖像和受到測量目標(biāo)面形調(diào)制的形變條紋圖像包含的信息差值，
即相位差值。將上述所存儲(chǔ)的參考條紋圖像的處理結(jié)果和所存儲(chǔ)的受到測量目標(biāo)面
形調(diào)制的形變條紋圖像的處理結(jié)果代入下式進(jìn)行計(jì)算
<formula>formula see original document page 9</formula>得到兩幅圖像的相對(duì)位相差； Re[g(x，y)g。 (jc，力]
由于計(jì)算機(jī)計(jì)算的反正切值位于[-7t，n]，因此相對(duì)位相分布存在不連續(xù)躍變， 要對(duì)計(jì)算的位相差進(jìn)行相位展開；'最后利用/2(乂,力=，重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布，
上述式中r^x,力、^c,力分別表參考平面示上述參考平面和所測目標(biāo)兩種情況 的非均勻的表面反射率，^"表示各級(jí)傅立葉級(jí)數(shù)的權(quán)重因子，w(3c，:^和p&力表示條 紋圖像耒經(jīng)調(diào)制和經(jīng)過調(diào)制兩種情況下的位相分布，/c表示投影光柵條紋的基頻。
下面給出實(shí)施例的具體參數(shù)所述的微型面陣CCD相機(jī)6和投影微透鏡組2所 在光軸存在小夾角，由CCD相機(jī)(6)視場決定。本實(shí)施例中的匹配角度為10、
特別的，本發(fā)明所述的振幅型透射光柵3所用光柵為周期為15(Hmi的鉻膜光柵 模板，開口比為l: 3。所述LED光源5產(chǎn)生的光束經(jīng)過準(zhǔn)直微透鏡4，得到準(zhǔn)直特 性很好的照明光束，利用所述的振幅型透射光柵3對(duì)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行編碼調(diào)制， 得到攜帶特定編碼信息的照明投影條紋。編碼后的照明投影條紋經(jīng)投影微透鏡組2 照明于測量目標(biāo)的表面。微型面陣CCD相機(jī)6采集被物體表面調(diào)制的形變條紋圖樣， 由信號(hào)傳輸線9與圖像采集卡10連接，將采集的圖像信號(hào)經(jīng)過采集卡數(shù)據(jù)傳輸線 11傳送到計(jì)算機(jī)12。所述計(jì)算機(jī)12具有相應(yīng)的圖像處理和三維面形計(jì)算重構(gòu)算法 和軟件。
采集參考平面上條紋的分布圖樣。測量目標(biāo)面形分布之前，首先利用微型面陣 CCD相機(jī)6和圖像采集卡10，由計(jì)算機(jī)12控制，采集一幅參考平面(高度分布為 /z(3c，力=0)上光柵條紋圖像，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中作為參考平面數(shù)據(jù)，以便計(jì)算相對(duì)相 位差，提取待測平面與參考平面的相對(duì)位置高度。為了可靠地提取三維面形分布信 息，所置參考平面與微型面陣CCD相機(jī)6的距離和測量百標(biāo)和微型面陣CCD相機(jī) 6的距離大致相當(dāng)。
采集測量目標(biāo)高度調(diào)制的形變條紋圖樣。將圖1中所述的三維內(nèi)窺測量裝置的 前端置于被測物體前面，調(diào)整位置，使測量目標(biāo)在微型面陣CCD相機(jī)6上清晰成像。 通過圖像采集卡10采集微型面陣CCD相機(jī)6拍攝的測量目標(biāo)高度調(diào)制的條紋圖樣， 存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)12，進(jìn)行下一步的圖像處理。
計(jì)算存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)12的參考平面條紋的分布圖樣和受到測量目標(biāo)高度調(diào)制的形 變條紋圖樣的相位差，重構(gòu)測量目標(biāo)表面三維面形分布。為了提高測量的速度，參 考平面條紋圖像處理可以先行處理，計(jì)算數(shù)據(jù)可以先行存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)12中。對(duì)CCD 相機(jī)采集的圖像，進(jìn)行必要的前期圖像處理。包括數(shù)字圖像濾波技術(shù)，中值濾波， 均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，防止相位展開中不連續(xù)點(diǎn)的擴(kuò)散。 圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉(zhuǎn)換。所述的前期圖像處理用以提高圖像 的對(duì)比度，減少圖像噪聲。進(jìn)行傅立葉變化、濾波、反傅立葉變換，將處理的結(jié)果 存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)12中。受到測量目標(biāo)高度調(diào)制的形變條紋圖樣經(jīng)過同樣的圖像處理和分析過程，計(jì)算的結(jié)果和已存儲(chǔ)的參考條紋圖像的處理結(jié)果進(jìn)行如下的數(shù)學(xué)計(jì)算
△p(xj) = gIm[ ",>;)]，得到相對(duì)的相位差值。由于計(jì)算機(jī)計(jì)算的 Re[g(x，力g。 (x，力]
反正切值位于[-兀,7T]，相鄰象素間的相位存在不連續(xù)，因此需要對(duì)所述的相對(duì)相位差 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相位展開。計(jì)算機(jī)程序從展開的相位中重構(gòu)待測目標(biāo)高度分布，依
據(jù)公式*力=，計(jì)算出測量目標(biāo)的三維分布圖。
本發(fā)明所述的基于振幅型透射光柵的光學(xué)內(nèi)窺三維測量裝置，具有操作方便， 測量速度快，實(shí)施簡單，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)處理信息，可以高速動(dòng)態(tài) 監(jiān)控，具有重要的實(shí)用價(jià)值和前景。
權(quán)利要求
1、一種基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置，其特征在于由LED光源(5)、準(zhǔn)直透鏡組(4)、振幅型透射光柵(3)、投影微透鏡組(2)、微型面陣CCD相機(jī)(6)、導(dǎo)線(7)、LED光源供電模塊(8)、信號(hào)傳輸線(9)、圖像采集卡(10)、數(shù)據(jù)傳輸線(11)和計(jì)算機(jī)(12)構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所述LED光源電源模塊(8)經(jīng)過導(dǎo)線(7)與所述的LED光源(5)連接，所述的LED光源(5)發(fā)出的光束依次經(jīng)所述的準(zhǔn)直透鏡(4)和振幅型透射光柵(3)形成和投影微透鏡組(2)，照射在待測目標(biāo)表面，由所述的微型面陣CCD相機(jī)(6)采集被待測目標(biāo)三維面形調(diào)制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機(jī)(6)經(jīng)信號(hào)傳輸線(9)、圖像采集卡(10)、數(shù)據(jù)傳輸線(11)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(12)，所述計(jì)算機(jī)(10)具有相應(yīng)的圖像處理和三維面形重構(gòu)算法和軟件，所述的投影微透鏡組(2)、振幅型透射光柵(3)、準(zhǔn)直透鏡組(4)、LED光源(5)和微型面陣CCD相機(jī)(6)都集成在一直管套筒(13)之內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置，其特征在 于所述的微型面陣CCD相機(jī)(6)的光軸和投影微透鏡組(2)的光軸之間有一小夾 角，該夾角的取值范圍為IO。 15° 。
3、 利用權(quán)利要求1所述的基于振幅型透射光柵的三維內(nèi)窺測量裝置的測量方 法，包括下列步驟① 采集參考平面上的光柵條紋圖像測量物體三維面形之前，首先利用微型面陣CCD相機(jī)(6)和圖像采集卡(10) 采集一幅參考平面上的光柵條紋圖像，<formula>formula see original document page 2</formula>。存儲(chǔ)于所述的計(jì)算機(jī)(U〉中；<formula>formula see original document page 2</formula>② 采集待測目標(biāo)上的形變光柵條紋圖像將所述的微型面陣CCD相機(jī)(6)對(duì)準(zhǔn)待測目標(biāo)，調(diào)整位置，使待測目標(biāo)在該 微型面陣CCD相機(jī)(6)上清晰成像，采集待測目標(biāo)三維面形調(diào)制而產(chǎn)生形變的光柵條紋圖像g<formula>formula see original document page 2</formula>存儲(chǔ)于所述的計(jì)算機(jī)(12)中；③所述的計(jì)算機(jī)(12)計(jì)算兩幅圖像位相差，重構(gòu)待測目標(biāo)的三維面形 采集參考平面條紋圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到參考平面條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)<formula>formula see original document page 2</formula>并存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)(12)中；*采集測量目標(biāo)調(diào)制的形變條紋圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到形變條紋圖像復(fù) 數(shù)信號(hào);(x，;;卜々(x,力exp(f2;z"/。;c + 0(x,;;))，存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)(12)中； ，將上述參考條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)和形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信號(hào)代入下式進(jìn)行計(jì)算卸(x, + a啤Jm[g"，力g。,"，力]，得到兩幅圖像的相對(duì)位相差； 由于計(jì)算機(jī)計(jì)算的反正切值位于[-7l,7t]，因此相對(duì)位相分布存在不連續(xù)躍變，要對(duì)計(jì)算的位相差進(jìn)行相位展開； 最后利用A(x,j;) = ，重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維面形分布，式中"(3c,"、 rfx，力分別表參考平面和待測目標(biāo)的表面反射率，A表示各級(jí)傅 立葉級(jí)數(shù)的權(quán)重因子，Wf3c,W和伊f3c,W表示條紋圖像未經(jīng)調(diào)制和經(jīng)過調(diào)制的位相分布， ^表示振幅型透射光柵的光柵條紋的基頻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于所述的圖像處理包括前期圖像 處理和傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，所述的前期圖像處理包括通常的數(shù) 字圖像的中值濾波和均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，以防止相位 展開中不連續(xù)點(diǎn)的擴(kuò)散；圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉(zhuǎn)換，所述的前 期圖像處理用以提高圖像的對(duì)比度，減少圖像噪聲。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于所述的參考平面條紋圖像的采 集、處理一次完成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在所述的計(jì)算機(jī)(12)中，反復(fù)使用。
全文摘要
一種基于振幅型透射光柵的光學(xué)內(nèi)窺三維測量裝置和方法。該裝置結(jié)構(gòu)包括LED光源，準(zhǔn)直透鏡，振幅型透射光柵，投影微透鏡組，微型面陣CCD圖像探測系統(tǒng)，傳輸線，圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)包含三維測量信息重建算法和軟件。利用振幅型透射光柵作為編碼條紋的產(chǎn)生源，將編碼條紋傳輸?shù)綔y量目標(biāo)表面得到調(diào)制，采集調(diào)制后發(fā)生變化的光柵條紋，經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理，通過三維面形重構(gòu)算法，重建測量目標(biāo)的三維面形分布。本發(fā)明能夠獲得內(nèi)窺對(duì)象的三維面形信息，并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B23/24GK101305899SQ200810040389
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者周常河, 軍 張, 王曉鑫, 金 謝, 偉 賈 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所