基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学三维测量技术领域，涉及一种基于同轴结构光的镜面零件三维形 貌测量系统，本发明还涉及该测量系统的测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机和信息处理技术的高速发展，基于结构光的三维测量技术日趋成熟。 多线结构光三维测量是种非接触式的测量方式，具有自动化程度高、速度快、精度高等特 点，目前在逆向工程、产品质量实时监测、服装设计等领域得到广泛的应用。但是对精加工 的金属原色零件表面进行多线结构光三维测量时候，多线结构光投射到零件表面会产生局 部的镜面反射、互反射，在这些镜面反射区域，观察不到反射物体自身，只能看到其周围物 体在其表面形成的像，这个像是变形的并且会随观察角度的变化而变化。另外，镜面反射还 会导致在图像中形成高光，这种高光的区域包含条纹信息极少，其颜色与物体表面本身的 颜色不同。这些因素对后续光学非接触测量中的图像处理带来很大干扰，直接影响到测量 精度，甚至无法进行测量。因此，在强反光金属结构件的实时三维测量中，金属表面强反光 问题和多次反光问题是必须解决的瓶颈问题，测量基础理论和关键技术还有待突破。
[0003] 针对这一问题，国内外提出了不同的解决方法。传统的方法是在被测镜面零件 表面喷涂一层反光率低的化学试剂，如显像剂等。通过涂层来改善零件表面的反射特性 方法可大大提高光学测量的精度，但是存在着测量工序长，破坏工件表面性能等缺点。文 献1 (专利：日本，特开2010-185820号公报）提出一种新颖的照明方式，使得照明光源所 发出的光线不会直接照射到被测物体上，从而降低了金属零件的镜面反射率，但是该文献 涉及的方法只是使用二维图像处理技术，无法测量出高度等三维信息。刘元坤（刘元坤， 苏显渝，吴庆阳，基于条纹反射的类镜面三维面形测量方法[J].光学学报.2006.2(11): 1636-1640.)等提出一种类镜面物体表面的三维形貌测量方法，他将薄膜晶体管作为投 射光源，利用单个工业相机观测物体表面所反射的投射光源的像来进行测量，但这种方法 的测量范围较小，测量精度也不高。Christopher (Christopher Waddington, Jonathan Kofman. Analysis of measurement sensitivity to illuminance and fringe-pattern gray levels for fringe-pattern projection adaptive to ambient lighting[J]. Opt Laser Eng. 2010 ;48(2) :251 - 256.)等针对物体照明和条纹灰度级做出了条纹投射测量 精度的敏感性分析。此方法只调整了最大条纹图案的灰度级用于消除环境光的影响，并且 避免了图像的饱和。当环境光的亮度较高时，图像饱和会降低条纹图像的信噪比。专利 US7092094B2中公开了一种基于偏振结构光的线结构光三角测量方法，利用偏振片来抑制 镜面反射和互反射的光，具有一定的效果。但是这种方法在测量过程需要不断的调整偏振 片的角度，造成测量过程负责，效率低下，无法用于工业现场的实时性测量要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，解决反 射率较强的镜面零件光学三维形貌测量的精度、效率和数据完整性问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供上述测量系统的测量方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系 统，包括投影仪、工业相机、中央处理器和光路系统；投影仪旁设置光路系统，光路系统由菲 涅尔透镜、分光镜、第一增透镜与第二增透镜组成，投影仪平行安装在菲涅尔透镜一侧的焦 点处，分光镜水平呈45度角设置在菲涅尔透镜另一侧，菲涅尔透镜上方水平设置第一增透 镜，菲涅尔透镜下方水平设置第二增透镜，第二增透镜下方设置棋盘标定板，第一增透镜的 上方设置工业相机，中央处理器分别与投影仪和工业相机连接。
[0007] 本发明所采用的另一技术方案是，一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量 系统的测量方法，包括标定阶段和测量阶段：
[0008] 标定阶段：
[0009] 步骤1，投射结构光并采集图像，具体步骤是：先将棋盘标定板放置在第二增透镜 的下方，投影仪投射出发散状结构光条纹图案通过菲涅尔透镜变为平行状结构光条纹，水 平的结构光条纹通过分光镜反射后通过第二增透镜竖直射向棋盘标定板；每投射一幅结构 光条纹到棋盘标定板上，工业相机就会通过第二增透镜、分光镜和第一增透镜来捕获被结 构光条纹照亮的棋盘标定板，由数据线传输到中央处理器，竖直方向条纹的图像序列数为 20幅，加上1幅投影全白、1幅投影全黑的标定板图像，一组的标定板图像为42幅，拍摄完 毕后变换棋盘标定板，采集下一组的42幅图像；
[0010] 步骤2,标定工业相机的内参矩阵：待采集完5组标定板图片，中央处理器先由输 入的棋盘标定板尺寸信息，生成每个角点的世界坐标信息（xw，Yw，Zw)，由于世界坐标系的 XOY平面与棋盘标定板靶标平面重合，故Zw= 0 ;然后对第一张全白的标定板图像进行角点 检测，生成每个角点的相机图像坐标信息（Xc;，y。)，用张正友标定方法得出工业相机的内参 矩阵；
[0011] 步骤3,标定投影仪的内参矩阵：利用水平方向和竖直方向的码结构光条纹图像 序列来计算图像的直接光分量和间接光分量，设s = U1,12，…，ik}为输入的编码结构光 条纹图像序列，P为图形上的某个像素点，点P的直接光分量和间接光分量分别为Ld(P)和 U(P)，则有：
【主权项】
1. 一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，其特征在于，包括投影仪（I)、 工业相机（3)、中央处理器（10)和光路系统（6); 投影仪（1)旁设置光路系统（6)，光路系统（6)由菲涅尔透镜（2)、分光镜（5)、第一增 透镜⑷与第二增透镜（7)组成，投影仪⑴平行安装在菲涅尔透镜（2) -侧的焦点处，分 光镜（5)水平呈45度角设置在菲涅尔透镜（2)另一侧，菲涅尔透镜（2)上方水平设置第一 增透镜（4)，菲涅尔透镜（2)下方水平设置第二增透镜（7)，第二增透镜（7)下方设置棋盘 标定板（9)，第一增透镜（4)的上方设置工业相机（3)，中央处理器（10)分别与投影仪（1) 和工业相机（3)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，其特征 在于，所述中央处理器（10)带有图像采集卡。
3. -种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统的测量方法，其特征在于，包括 标定阶段和测量阶段： 标定阶段： 步骤1，投射结构光并采集图像，具体步骤是：先将棋盘标定板（9)放置在第二增透镜 (7)的下方，投影仪（1)投射出发散状结构光条纹图案通过菲涅尔透镜（2)变为平行状结 构光条纹，水平的结构光条纹通过分光镜（5)反射后通过第二增透镜（7)竖直射向棋盘标 定板（9);每投射一幅结构光条纹到棋盘标定板（9)上，工业相机（3)就会通过第二增透镜 (7)、分光镜（5)和第一增透镜（4)来捕获被结构光条纹照亮的棋盘标定板（9)，由数据线传 输到中央处理器（10)，竖直方向条纹的图像序列数为20幅，加上1幅投影全白、1幅投影全 黑的标定板图像，一组的标定板图像为42幅，拍摄完毕后变换棋盘标定板（9)，采集下一组 的42幅图像； 步骤2,标定工业相机的内参矩阵：待采集完5组标定板图片，中央处理器（10)先由输 入的棋盘标定板（9)尺寸信息，生成每个角点的世界坐标信息（XW，YW，Zw)，由于世界坐标系 的XOY平面与棋盘标定板（9)靶标平面重合，故Z w=O ;然后对第一张全白的标定板图像进 行角点检测，生成每个角点的相机图像坐标信息（X。，y。)，用张正友标定方法得出工业相机 的内参矩阵； 步骤3,标定投影仪（1)的内参矩阵：利用水平方向和竖直方向的码结构光条纹图像 序列来计算图像的直接光分量和间接光分量，设S = U1, I2，…，Ik}为输入的编码结构光 条纹图像序列，P为图形上的某个像素点，点P的直接光分量和间接光分量分别为L d(p)和 Lg(P)，则有：
其中K表示输入的編码结构光条纹图像序列的总数；i为当前的编码结构光条纹图像 序列；L+p表;^点p在所有选择序列中的最大像素值；L+p表;^点p在所有选择序列中的最小 像素值；b e [〇，1)，表示环境光亮度与投影仪直射光亮度的比值，是由投影仪投射的暗条 纹灰度值决定的； 步骤4,利用图像每个像素点的Ld(p)和Lg(p)，对图像中的结构光条纹进行阈值分割， 然后用编码的逆过程对阈值分割后的图像进行解码，得出每个投影仪图像上的每个像素点 坐标；设点a为相机图像上的某一个像素点，b点为a对应在投影仪图像平面上的像素点， a和b在各自像平面的齐次像素坐标为： a = [xc, jc, 1]T, b = [xp, yp, 1]T (3) 其中[xj。，1]T为点a在相机像平面上的齐次坐标；[xp，yp，1] T为点b在投影仪像平面 上的齐次坐标； 步骤5,定义点a和b之间的单应性矩阵为H，使下面式（4)最小：
其中为上述泛函的最小值； 步骤6,在步骤2得到的每个相机图像坐标系下的角点?，应用下面式（5)可以得出该 角点对应在投影仪图像坐标系下的S: b = H · a (5) 步骤7,由以上可以求出每个在相机图像坐标系下的角点像素坐标（Xc;，y。）对应在投影 仪图像坐标系下的像素坐标（Xp，yp)，而角点的世界坐标信息为（Xw，Y w，Zw)，使用张正友的方 法即可标定得出投影仪的内参矩阵； 步骤8,标定投影仪和相机之间的外参矩阵：对于确定姿态的棋盘标定板图像，相机坐 标系C和投影仪坐标系C'之间的转换关系如式（6)所示： C，= R · C+T (6) 其中[R，T]即为相机和投影仪之间的外参矩阵； 步骤9,根据摄像机和投影仪的内外参数，得出标定的二次投影误差，作为标定精度的 衡量标准； 测量阶段： 步骤10,导入标定阶段得到的标定参数； 步骤11，投射结构光并采集图像：将镜面零件（11)放置在第二增透镜（7)的下方，依 照标定阶段的第一部分，依次向镜面零件（11)投射结构光； 步骤12,工业相机（3)会通过第二增透镜（7)、分光镜（5)和第一增透镜（4)来捕获被 结构光条纹照亮的镜面零件（11)，由数据线传输到中央处理器（10); 步骤13,计算被测物体的三维信息：中央处理器（10)对该42幅被结构光所照射的镜 面零件（11)图像进行直接光分量和间接光分量的计算，对图像中的结构光条纹进行阈值 分割，然后用编码的逆过程对阈值分割后的图像进行解码，结合测量装置的标定结果，从而 得出被测物体的三维形貌信息。
【专利摘要】本发明公开了一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，包括投影仪、工业相机、中央处理器和光路系统；还公开了该测量系统的测量方法，包括标定阶段和测量阶段。本发明从结构和测量算法上解决反射率较强的镜面零件光学三维形貌测量的精度、效率和数据完整性问题。
【IPC分类】G01B11-25
【公开号】CN104729428
【申请号】CN201510089586
【发明人】王中任, 万仁全, 刘海生, 周岳斌, 雷海燕
【申请人】湖北文理学院
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月27日