基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量方法

基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量方法

胡铁娜,刘广丽,李鹏辉

天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387

摘要：研究一种基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量方法，以树莓派Raspberry Pi 4作为图像数据处理单元，采用单帧施密特正交化相位提取方法，引入加权四向横向剪切技术进行解包裹处理，最终得到真实相位信息，达到三维结构重建的目的。最后通过实验验证了该方法对于提高系统测量精度的有效性。

关键词：嵌入式平台，相位信息，光纤干涉，三维测量

1. 引言

高精度三维测量技术在航空航天、机械加工、文物修复、制造和医疗工程等领域有着重要的应用价值；基于光纤干涉条纹投影的三维测量方法具有结构灵活、条纹投影清晰、环境适应性强等优点，因此应用前景较好。其主要原理为利用面阵相机获取投射至被测物体表面的变形干涉条纹图像，通过图像处理算法获取所有发生位置变化的像素相位差值，进而求取物体表面的高度分布，获得其三维形貌特征。在光纤干涉条纹投影的三维测量方法中，投影条纹结构光的质量、干涉条纹图像的清晰度将会对基于光纤干涉条纹投影的三维测量结果的准确性产生重要影响。为进一步提高测量结果的精度，本文采用施密特正交化相位提取方法，利用加权四向横向剪切最小二乘解包裹算法进行相位展开，解决相位截断和拟合失真的问题。为提高测量系统的集成性、实用性，本文构建了一套基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量系统，并通过实验评估本文中所采用方法的性能。

2 系统测量原理

本文构建的三维测量系统由光纤干涉条纹投影模块、图像采集模块和图像数据处理模块组成。光纤干涉条纹投影模块基于马赫-泽德干涉仪结构和杨氏双缝干涉原理，即激光器输出相干性较好的激光光束，并通过3dB光纤耦合器分成两路，两路光束分别将光纤干涉条纹投影模块中的两个光纤干涉臂作为传输通道，最后使用光纤夹把两个干涉臂的顶端部位固定，并调整为平行状态。最后能够在干涉臂投射区域内的观察屏上获得干涉条纹结构光图形。当该干涉条纹结构光投影到被测物体表面上时，干涉条纹会因被测物体高度调制而产生变形。利用图像传感器采集变形后的干涉条纹图像，并输入图像处理单元中，通过相应图像处理算法获取被测物体三维信息。

本测量系统的原理如图1所示。通过激光干涉条纹结构光投射模块产生强度呈余弦分布的结构光图形。然后利用干涉条纹图像采集模块，即面阵相机获取投射至待测物体表面的干涉条纹图像，并传输至条纹图像处理模块，通过得到一组的参考干涉条纹图像和变形干涉条纹图像后，利用相位提取算法求得条纹相位包裹图，最后利用相位解包裹算法得到全场相位信息，并对相位-高度模型进行参数标定实验以获取待测物体表面的实际三维尺寸信息。

图1测量系统原理框图

3 嵌入式平台硬件设计选型

为提高整个测量系统的集成性，本文采用嵌入式平台作为测量系统的核心数据处理单元，以实现三维测量的适用范围。根据干涉条纹图像及其图像处理算法的特性，依据构建三维测量系统的操作系统、运行内存、处理器主频和摄像头接口四个参数，最终确定树莓派Raspberry Pi4为本测量系统的图像数据处理平台。同时为满足测量系统的三维测量精度，最终选择基于CMOS串行接口的图像传感器OV5647来获取光纤干涉条纹图像，采集图像达到500万像素，分辨率为2592*1944，能够满足本测量系统对光纤干涉条纹图像采集的指标要求。

4 光纤干涉条纹图像相位重构

采集干涉条纹图像后，需要对其进行相应的图像预处理，利用高斯函数变换算法对采集的干涉条纹的灰度图像进行增强处理，使整幅干涉条纹图像背景光强均匀分布，满足干涉条纹相位准确提取的要求，再利用单帧施密特正交化法对干涉条纹图像进行相位信息提取，得到了包裹在[-π, π)中的相位，为了得到被测物体的实际高度或深度信息，还需要对包裹相位进行解包裹处理。

干涉条纹成像技术在实际测量过程中容易出现相位截断和拟合失真的问题，利用加权四向横向剪切技术进行解包裹处理可以有效避免以上问题。通过对包裹相位建立二维复光场，对复光场进行剪切，利用二阶差分的相位导数偏差对x、y以及两个对角线方向的最小二乘法进行加权，既弥补了传统最小二乘法的不足，又起到了补偿平滑的作用。该方法可以有效提高算法的稳定性，使得到的相位图更接近理想值。

5 实验结果与分析

为验证基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量系统的有效性，本文在Raspberry Pi4嵌入式平台上构建了基于Python和OpenCV的干涉条纹图像处理模块，利用3D打印技术制作了阶梯结构的立体模型，实验过程中对该模型进行了整体测量，并实现了三维立体结构重建，如图2所示。

图2 阶梯模型的测量结果

6.结论

本文设计了一种基于嵌入式平台的光纤干涉条纹投影三维测量系统。该系统与基于通用计算机的测量平台，集成性和灵活性更高，能够适用于多种测量场景，为基于光纤干涉条纹投影的三维测量系统的轻量化提供了有效方案。

同时，本文利用单帧施密特正交化相位提取方法，引入加权四向横向剪切技术进行解包裹处理，二者相结合对恢复相位信息有较好的效果，从而保证三维测量系统测量结果的准确性。在未来的工作中，需要进一步优化相位提取和相位展开算法，以提高三维测量系统的精度和速度，从而使其具有更好的应用前景。

基金项目：天津市研究生科研创新项目(2021YJSS066)

参考文献：

[1]王叶. 基于FPGA控制的裸眼三维显示系统[D].北京:北京邮电大学,2019.

[2]郭媛,陈小天,毛琦,等.单幅干涉条纹图相位提取新算法[J].激光与红外, 2015, 45(1):94-98.

[3]Li B, An Y , Zhang S. Single-Shot Absolute 三维 Shape Measurement with Fourier Transform Profilometry[J]. Applied Optics,2016,55(19):5219.

作者简介：胡铁娜 （1997年1月-）天津市宁河区人，硕士研究生，天津工业大学，研究方向：光电检测技术、图像处理。