CN101718533A - 镜像莫尔测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镜像莫尔测量装置及方法。本装置包括漫射光源、摄像机、光栅、光栅垂直移动驱动装置和测量数据处理系统，漫射光源作为背景照明光源，被测镜面物体放在光栅后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像，摄像机透过参考光栅可拍摄到光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，光栅垂直移动驱动装置能驱动光栅沿垂直方向移动，从而引起镜像莫尔条纹的相移，摄像机与测量数据处理系统相连接。本方法操作步骤为：测量装置调整、数据采集和数据处理。本发明能测量镜面反射物体的形貌。

Description

镜像莫尔测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种适合镜面物体三维面形测量的“镜像莫尔测量装置及方法”。

背景技术

莫尔形貌术作为一种常用光学三维测量方法，具有全场和非接触的优点，并因此在工业及民用领域的许多方面得到广泛应用。莫尔现象被引入科学研究的有记载的历史可以追溯到十九世纪。此后，将莫尔现象用于三维形状检测的努力一直延续不断，但长期未有太大突破。直至1970年代，当Meadows等和Takasaki相继发表其关于莫尔形貌术的经典论文后，该技术才开始得以蓬勃发展。与各种基于相干光的技术比较，莫尔形貌术具有：①无须相干光源，设备简单；②适合较大、较深物体的测量；③对工作环境要求低的特点。根据测量装置之不同，莫尔形貌术被分为阴影型和投射型两类。

莫尔形貌术的研究和发展主要受新型器件使用的驱动。例如，CCD摄像机替代了感光胶片成为莫尔条纹的记录介质等等。新器件的采用大大提高了测量的精度、分辨率和自动化程度。与此相适应，条纹图像的自动分析与处理成为莫尔形貌术研究的核心内容。早期采用的方法是：基于图像灰度确定莫尔条纹的中心或峰值位置，以此得到细化的等高线^[3-5]。为确定等高线的级次，Lu和Inokuchi在投射型莫尔中采用了强度调制的方法。另一种方法是基于动态位相检测的技术。例如，Indebetouw通过控制参考光栅匀速移动，实现了莫尔条纹两点之间相对位相的动态探测；而Moore和Truax则是通过光源照射角度的脉动，将锁相环技术引入莫尔条纹分析中。Quan等使物体振动，以扫描时域信号的位相。Tang等最早采用傅立叶变换方法对莫尔条纹图像进行了分析。相移技术是一种高分辨率的条纹图像分析技术。在投射莫尔形貌术中，Reid等和Masumoto等首先通过投射光栅或参考光栅之一的平移，很方便地将实现了相移。但对于阴影型技术，唯一光栅的平移却无法产生莫尔条纹的移动。因此，只有通过改变系统的其它参数，才能引起莫尔条纹的移动。但对于常用的非准直光系统，图像上各点的相移量依赖于该点对应深度值，因此无法实现均匀相移。Dirckx等，Dirckx和Decraemer，Ladak等，以及Mauvoison等使物体垂直于光栅栅面移动，近似实现了均匀相移。Yoshizawa和Tomisawa在移动光栅的同时也控制光源移动，D’Acquisto等同时改变光源和物体位置，Jin等则同时控制光栅的移动和旋转，也部分补偿了非均匀相移带来的系统误差。Degrieck等仅采集一幅图像，利用一虚拟光栅实现了阴影莫尔条纹的相移。除此之外，针对阴影莫尔技术，尚有某些条纹移动方法不需求解位相，从而避免非均匀相移带来的误差。例如，Arai等，与Arai和Yokozeki从一系列条纹移动的莫尔图像中，通过求解非线性方程直接获取物面深度的精确值。Xie等的方法则是控制光栅按一定规律旋转，但其最大可测深度非常有限。而Gómez-Pedrero等在装置中采用了三色光源，用异步解调方法分析了莫尔条纹。赵宏等控制光栅沿栅面垂直方向移动，为相移阴影莫尔形貌术提供了一种新的实现手段。王昭等在阴影型装置中采用多点光源，将频移技术引入莫尔形貌术。杨晓苹等提出双光栅结构的阴影莫尔法，可以简化位相去包裹操作。李根乾等在投射型莫尔中采用双摄像机和多光源设置，大大提高了相移投射莫尔形貌术的测量速度。

尽管莫尔形貌术的研究已历经了较长时期，已渐趋成熟。但是，现有的所有方法和装置只能测量表面性质为漫反射的粗糙物体轮廓，无法测量镜面反射物体的形貌。而在工程实际中，大量物体的表面性质为镜面反射。

发明内容

本发明的目的，在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于莫尔测量原理的镜面物体表面三维轮廓测量装置和测量方法，即“镜像莫尔测量装置及方法”，能测量镜面反射物体的形貌。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种镜像莫尔测量装置，包括摄像机、光栅、光栅垂直移动驱动装置、测量数据处理系统和光源，其特征在于：所述光源为漫射光源，以该漫射光源作为背景照明光源；被测镜面物体放置于光栅后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；所述摄像机透过光栅能拍摄到光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；所述的光栅驱动装置能驱动光栅沿垂直方向移动，从而引起镜像莫尔条纹的相移；所述的摄像机与测量数据处理系统相连接，能将莫尔条纹图输出至数据处理系统进行处理，转换成被测量物体表面面形数据。

一种镜像莫尔测量方法，采用上述的镜面莫尔测量装置进行测量，其特征在于操作步骤如下：

第一步、测量装置调整：确定摄像机(1)的参数与光栅(2)的节距；

第二步、数据采集：①安装光栅，使光栅栅线方向为竖直方向；②将被测镜面物体放置于光栅之后，并调整其方位至摄像机能记录到清晰莫尔条纹；③利用光栅驱动装置移动光栅至n个预定位置，n为等于或大于4的自然数，在各位置分别用摄像机记录莫尔条纹图，并输出至测量数据处理系统；④重新安装光栅，使光栅栅线方向为水平方向，并重复执行步骤③。

第三步、数据处理：测量数据处理系统(4)对输入莫尔条纹图进行处理，计算被测镜面的面形信息。

上述的第三步中所述的数据处理方法为：①对光栅栅线为竖直和水平方向时采集的两组莫尔条纹图分别进行处理，计算其相对相移量；②利用相对相移量，分别计算两组莫尔条纹图的位相分布图；③利用位相分布图和光栅节距，分别计算物面沿水平和竖直方向的梯度分布；④通过数值积分方法，由梯度分布计算物面深度分布。

本发明装置与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、现有的莫尔测量装置采用点光源或平行光照明，只能测量漫反射物体。当被测物体表面性质为镜面反射时，摄像机不能拍摄到莫尔条纹。本发明所述装置采用漫射背景光源，测量镜面物体时可以拍摄到莫尔条纹。

2、现有的莫尔测量方法中，莫尔条纹由光栅与光栅在漫反射物面上的阴影重叠而成，莫尔条纹与物面深度有关。本发明所述方法中，莫尔条纹由光栅与光栅被镜面所成虚像重叠而成，莫尔条纹与物面梯度有关。

3、现有的莫尔测量方法中，相移量与测量系统参数有关，与被测物体无关，是已知的。本发明所述方法中，相移量与被测物体形状有关，是未知的，是需要求解的。

4、现有的莫尔测量方法中，物面深度由位相直接计算所得，是基于三角测量原理。本发明所述方法中，物面梯度由位相计算所得，物面深度再由梯度积分所得，不是基于三角测量原理。

5、现有的莫尔测量方法及装置测量对象为漫反射物体，本发明所述装置及方法测量对象为镜面反射物体。

附图说明

图1是本发明“镜像莫尔测量装置”的结构示意图；

图2是本发明“镜像莫尔测量方法”的原理图；

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图1，本镜像莫尔测量装置包括摄像机(1)、光栅(2)、光栅垂直移动驱动装置(3)、测量数据处理系统(4)和光源(5)；光源(5)为漫射光源，以该漫射光源(5)作为背景照明光源；被测镜面物体(6)放置于光栅(2)后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；摄像机(1)透过光栅(2)能拍摄到光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；光栅垂直移动驱动装置(3)能驱动光栅(2)沿垂直方向移动，从而引起镜像莫尔条纹的相移；摄像机(1)与测量数据处理系统(4)相连接，能将莫尔条纹图输出至数据处理系统(4)进行处理，转换成被测量物体表面面形数据。

实施例二：参见图2，本镜像莫尔测量方法采用实施例一的装置进行测量，其测量步骤及原理为：

①测量装置调整：

摄像机位于远场位置，则反射光线近似垂直于光栅平面。光栅被镜面物体成像形成其虚像。摄像机可拍摄到光栅与其虚像重叠形成的莫尔条纹。

②数据采集：

设光栅节距为p。A点为被测镜面上任意一点，其深度为h。光栅上一点C点经A点被镜面物体成像，在C’点形成其虚像。C’与光栅上B点重叠，说明此处莫尔条纹的位相为C与B点的位相差。即有

φ_A＝2πBC/p＝2πhtan(2α)/p    (1)，

其中α为入射角，反射角等于入射角，且满足 $\tan \mathrm{\α}=\∂h/\∂x.$ 由式(1)可知，莫尔条纹的位相依赖于物面形状参数(包括深度和斜度)。

利用光栅垂直移动驱动装置驱动光栅移动已知距离Δh，则位相值变化为：

φ_A+δ_A＝2π(h+Δh)tan(2α)/p    (2)。

其中，相移量为

δ_A＝2πΔhtan(2α)/p    (3)。

式(3)表明可以通过移动被测物体来实现相移，但相移量沿物面分布不均匀。相移量不依赖物面深度，仅依赖其斜度。

利用光栅垂直移动驱动装置驱动光栅等间距移动，顺序到达n(n≥3)个不同位置时，可拍摄到对应的n幅相移莫尔条纹图。经滤波后，第n幅相移莫尔条纹图像可表示为

I_n(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[φ(x，y)+nδ(x，y)](4)，

其中n＝0，1，…，N-1，N为相移步数。背景a、调制度b和位相φ均为图像坐标(x，y)的函数。

③数据处理：

第一步，求解相移量。由于相移的不均匀性，相对相移量δ也是(x，y)的函数。相对相移量的无偏估计可由下式求出

$\mathrm{\δ}=\arccos (\frac{B-\sqrt{B^2+4A^2}}{4A}-\frac{1}{2})---\left(5\right),$

其中 $A={\mathrm{\Σ}}_{n=3}^{N-1}\left[(I_{n-2}-I_{n-1})(I_n-I_{n-3})\right],$ $B={\mathrm{\Σ}}_{n=3}^{N-1}[{(I_{n-2}-I_{n-1})}^2-{(I_n-I_{n-3})}^2].$

第二步，求位相。采用最小二乘相移算法，求解方程组

$\left[\begin{array}{ccc}N& \mathrm{\Σ}\cos \mathrm{n\δ}& \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{n\δ}\\ \mathrm{\Σ}\cos \mathrm{n\δ}& \mathrm{\Σ}{\cos }^2\mathrm{n\δ}& \mathrm{\Σ}\cos n\mathrm{\δ}\sin \mathrm{n\δ}\\ \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{n\δ}& \mathrm{\Σ}\cos n\mathrm{\δ}\sin \mathrm{n\δ}& \mathrm{\Σ}{\sin }^2\mathrm{n\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}_0\\ c_1\\ c_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{I}_n\\ \mathrm{\Σ}{I}_n\cos \mathrm{n\δ}\\ \mathrm{\Σ}{I}_n\sin \mathrm{n\δ}\end{array}\right]---\left(6\right),$

则位相为：

$\mathrm{\φ}=-\arctan \frac{c_2}{c_1}---\left(7\right).$

第三步，求物面梯度。利用公式1，计算物面沿x方向的梯度 $\∂h/\∂x=\tan \mathrm{\α}.$ 同理，重新安装光栅，使光栅栅线方向为水平方向(与原方向垂直)，并重复执行上述步骤可得物面沿y方向的梯度

第四步，求物面深度。通过数值积分，可由物面梯度计算物面深度分布，即恢复物面形貌信息。

Claims (3)

1.一种镜像莫尔测量装置，包括摄像机(1)、光栅(2)、光栅垂直移动驱动装置(3)、测量数据处理系统(4)和光源(5)，其特征在于：所述光源(5)为漫射光源，以该漫射光源(5)作为背景照明光源；被测镜面物体(6)放置于光栅(2)后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；所述摄像机(1)透过光栅(2)能拍摄光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；所述的光栅驱动装置(3)能驱动光栅(2)沿垂直方向移动，从而引起镜像莫尔条纹的相移；所述的摄像机(1)与测量数据处理系统(4)相连接，能将莫尔条纹图输出至数据处理系统(4)进行处理，转换成被测物体表面的面形数据。

2.一种镜像莫尔测量方法，采用根据权利要求1所述的镜像莫尔测量装置进行测量，其特征在于操作步骤如下：

第一步、测量装置调整：确定摄像机(1)的参数与光栅(2)的节距；

第二步、数据采集：①安装光栅(1)，使光栅栅线方向为竖直方向；②将被测镜面物体(6)放置于光栅(1)之后，并调整其方位至摄像机(1)能记录到清晰莫尔条纹；③利用光栅垂直移动驱动装置(3)移动光栅(1)至n个预定位置，n为等于或大于4的自然数，在各位置分别用摄像机(1)记录莫尔条纹图，并输出至测量数据处理系统(4)；④重新安装光栅，使光栅栅线方向为水平方向，并重复执行步骤③；

第三步、数据处理：测量数据处理系统(4)对输入莫尔条纹图进行处理，计算获得被测镜面的面形信息。

3.根据权利要求2所述的镜像莫尔测量方法，其特征在于所述的第三步中所述的数据处理方法为：①对光栅(1)栅线为竖直和水平方向时采集的两组莫尔条纹图分别进行处理，计算其相对相移量；②利用相对相移量，分别计算两组莫尔条纹图的位相分布图；③利用位相分布图和光栅节距，分别计算物面沿水平和竖直方向的梯度分布；④通过数值积分方法，由梯度分布计算物面深度分布。

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