CN101726258A - 一种热态物体在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热态物体在线检测系统，二个CCD相机，DLP投影仪，二个带通滤光器，图像采集卡，计算机和支架；CCD相机与DLP投影仪固定在同一块金属板上，滤光片分别安置于CCD相机的前面，CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由支架支撑；DLP投影仪向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由二个CCD相机同步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡传送给计算机进行数据处理，得到被测物体的三维数据。本发明结合结构光测量技术的优势，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据，该系统可以对处于高温条件下的物体进行快速、精确的在线测量，获得其表面的三维数据。

Description

一种热态物体在线检测系统

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体设计一种热态物体在线测量技术与系统，用于对热态物体进行三维测量。

背景技术

热态物体通常指那些温度处于600～1400℃之间的红热状态固体，如红热状态的热锻件等。随着电力、机械、能源和化工行业的发展，用以制造大型关键零部件的需求越来越大，因此许多热态成形零件的尺寸精度成了保证重大技术装备质量的一个重要因素。目前，在热态成形行业中，产品的废品率很高，生产中的资源浪费情况严重。据美国能源部调查，在美国锻造工业中的废品率大于15％，造成这种现象的主要原因是锻造企业缺乏热态物体测量技术。

目前，在大多数企业中，仍然采用人工测量法进行测量，这种方法测量环境恶劣，且测量精度低。近年来，非接触式测量法在热态成形件的测量中得到了初步应用，常见的非接触式测量法一般有：CCD图像测量法、激光扫描法、结构光三维测量技术等。

CCD图像测量法使用CCD将被测物体转换成图像信号，以数字信号的形式传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，计算出热态物体的特征尺寸，达到在线非接触测量的目的。CCD图像测量法具有能够实现远程、非接触在线测量、测量速度快、系统成本低等优点，但是该方法只能得到工件的特征尺寸，无法测量工件表面的完整三维数据。

2001年，美国OG Technologies，Inc.在美国能源部的资助下，开始研究热态物体的三维测量技术，并于2003年推出了基于HotEye的坐标测量系统(HotEye-based Coordinate Measuring Machine)，该系统将传统的三坐标测量机与HotEye技术结合，可以实现热态物体的快速三维测量。但是由于受到三坐标测量系统的测量空间限制，该系统只能对小型零件进行测量，且系统的便携性较差，无法进行在线测量。

此外，德国FERROTRON Technologies GmbH也于最近研制出了能够对热态物体进行测量的LaCam测量系统(LaCam@Forge measuringsystem)。该系统使用激光扫描法，可在热态物体加工过程中对物体的尺寸进行三维测量，目前在欧洲和美国的大型机械厂使用较多。但是，该系统的装置复杂、价格昂贵，对于现场的高温、强振动环境的适应性、激光器本身能否在这样的环境下长期稳定工作尚待进一步了解。目前，还未见我国生产商使用该装置的报道。

除了上述的方法，还有所谓的“被动侦测法”采用了信号采集器、阴极射线管和CCD摄影机或者红外线摄像机，从而接收从发红的热态被测物体自身所发射的射线。这种方法类似于人类的视觉的应用，其中信号接收器充当人身上眼睛的功能。被动侦测法却受到了空腔辐射效应这种现象的影响。空腔辐射效应是由1900年Plank提出的假设，后来经20实际初的Einstein得到了证实。它可以影响对被测物体的真实特征的视觉观察。更特别的是，基于这种原理，能自我辐射的被测物体的凹表面特征看起来像完整的黑体。此外，由于光线是自我辐射的，很容易带来一些并不需要的信息。通过这种方法得到的图像一般来说不适合自动化机器的视觉应用。

另外一种较早的技术方法，即所谓的“主动法”采用了可以投射到红热被测物体的外部灯光。一个照相机用于采集从物体表面反射的以及自我辐射的射线。在这种方法中，其主要思想是用一种更强外部射线来覆盖物体本身辐射的射线。换句话说，反射的光线在主要的自我辐射射线的光谱范围之内，但是在强度上是可以区分的。外部光线可以设计成可以突出表面凹处、轮廓的表面信息。外部光线可以由各种如激光或高功率灯等光线生成设备提供。然而“主动法”也存在一些问题。首先，很少光源可以提供强于1350℃被测物体所辐射的射线。其次，自我辐射的射线仍然会表现出一种问题：它会降低反射射线的信号质量。信噪比(外部光线/自我辐射射线)普遍比较低，除非很强的光源被采用。最后，这些外部光源在工作环境中可能有所不便，因为光源太过强烈。

激光也被作为一种可以压制从红热物体自我发射射线的光源。激光可以提供很高的功率强度用以减少自我辐射射线的作用。例如，铜基激光(发射550nm)应用于压制激光焊接熔池(温度大约3000℃)处自我辐射230nm～长红外线光谱范围内的射线。

另外一种较早的技术方法在电弧焊(温度大约2500℃)中使用可以辐射处275nm～长红外线光谱范围内的YAG激光(1060nm)。但是激光的使用形成了大量的问题。当激光提供高功率强度时，激光照射的面积很小。因此，当激光被用于照射光源时，普遍采用了光栅扫描。此外，这种高功率的激光相当昂贵、体积庞大，形成各种风险。还有，为了操作基于激光的系统，用户必须用遮光罩及其它的保护装置来保护自身。

基于以下几个因素，在被动侦测法视觉系统中红外线传感器或照相机的使用其价值也有限。首先，红外线传感器/照相机提供分辨率大大小于同等的CCD。其次，由于红外线波长的缘故红外线不能像可见光一样聚焦。最后，使用红外线传感器/照相机不能解决与光照及之前提到的空腔辐射效应有关的问题。

现在虽然已经有了把被动侦测法和“主动法”相结合的尝试，但是这种方法不能解决由自我辐射和空腔辐射效应产生的问题。

在过去，在红外线和可见光之间的区别成了解决与红热被测物体强光有关的问题的重点。这种方法的构思是有缺陷的，因为红热被测物体可以辐射出红外线和可见光。例如，钢铁在1200℃辐射650nm左右的射线，即钢铁在发红的时候也会发射红外线。此外，假如自我辐射射线不能从采集的信号中移除，由自我辐射射线产生的干扰会影响从红热被测物体采集详细而精确的表面信息。之前的技术方法缺乏有效的从红热被测物体采集的信号中移除自我辐射射线的有效方法，而且便携性较差。这个问题已经限制了这种设备在特定方面的应用。便携式的设备对只需要检测红热被测物体而不需要进行定量测量的用户来说是比较合适的。在之前技术支持的设备中使用的外部光源太强，所以风险较大、也不适合便携。总之之前的技术方法的价值有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热态物体在线检测系统，该系统可以对处于高温条件下的物体进行快速、精确的在线测量，获得其表面的三维数据。

本发明提供的一种热态物体在线检测系统，其特征在于：该系统包括第一、第二CCD相机，DLP投影仪，第一、第二带通滤光器，图像采集卡，计算机和支架；第一、第二CCD相机与DLP投影仪固定在同一块金属板上，第一、第二滤光片分别安置于第一、第二CCD相机的前面，第一、第二CCD相机的光心轴与DLP投影仪的光心轴夹角在20至60度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由支架支撑；

DLP投影仪向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由第一、第二CCD相机同步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡传送给计算机进行数据处理，得到被测物体的三维数据。

本发明在热态物体的特殊情况下，根据热态物体的光谱特性，改变投射的光栅图像的颜色，并在CCD相机前添加合适的滤光片，以减小热态物体对拍摄的光栅图像质量的影响，同时结合结构光测量技术的优势，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据。具体而言，本发明系统具有以下技术特点：

(1)可以采用DLP投影仪对热态物体投射光线，通过CCD相机前添加的滤光片滤除反射光线中热态物体自身辐射的射线，从而减少热态物体对光栅图像质量的影响。

(2)本发明为结构光三维扫描系统，该系统使用基于数字光学投影的结构光测系统作为测量终端，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据。

附图说明

图1为基于结构光技术的热态物体的三维测量系统结构示意图；

图2为光栅扫描系统对热态物体扫描示意图；

图3为热态物体表面温度与波长关系；

图4为计算机进行数据处理的流程图；

图5为极线约束的原理图；

图6为极线约束的匹配算法原理图；

图7为双目立体视觉图。

具体实施方式

由于在不同的温度下物体表面辐射的射线的波长不同，参照图3，可以看出当高温物体处于1400℃左右时，其表面辐射出波长约550nm的射线，同时通过研究DLP投影仪可投射的可见光波长范围。当CCD相机物体表面接受的反射光成分比较单一时就可以得到物体表面清晰的三维数据，所以滤除物体本身所辐射的射线对三维数据的质量有相当大的影响。由此可以考虑，当投影仪投射合适可见光，并且使用合适的滤光镜，对物体表面自身反射射线进行截止，同时可以让投影仪投射的可见光通过，使结构光扫描系统可以达到常温条件下扫描的效果。本发明中投影仪对物体投射约440～485nm的蓝光，同时采用了带通滤光玻璃，也叫滤光片，这是一种带宽比较窄，短波和长波有明显截止的玻璃，通过对比研究本发明采用相应的滤光片型号。滤光片可以对约340nm以下短波和约540nm以上长波完全截止，故可以滤除高温物体表面辐射光线时，使结构光扫描系统可以达到常温条件下扫描的效果。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，本发明系统包括第一、第二CCD相机101和102、DLP投影仪103、第一、第二带通滤光玻璃104和105、图像采集卡106、计算机107和支架108，本实例中支架108采用移动式三脚架。其中第一、第二CCD相机101和102与DLP投影仪103固定在同一块金属板上，第一、第二滤光片104和105分别安置于CCD相机101和102的前面，第一、第二CCD相机101和102的光心轴与DLP投影仪103的光心轴夹角在20至60度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由移动式三脚架支撑，这样整个设备便可自由的在室内移动测量。

如图2所示，本发明系统的工作流程为：首先由DLP投影仪103向红热状态的被测物体201投影蓝色的正弦光栅202，被测物体201可以是碳钢零件，也可以钛合金，也可以是陶瓷零件等。然后由第一、第二CCD相机101和102同步采集由被测物体201反射的已变形的蓝色正弦光栅，将拍摄得到的变形黑白正弦光栅经图像采集卡106传送给计算机107进行计算，从而得到被测物体201的三维数据。然而，在物体的加工过程中，一般温度约在1400℃左右，物体呈红热状态，因此零件本身会辐射大量射线，而这些射线中包含了波长在500nm以上的非蓝色可见光，如图2所示，零件会反射DLP投影仪所投射的光线203，其反射光线和高温零件自我辐射射线中的部分射线形成了反射光线204(也包含了一些周围环境中的光线，图中未标明)，这些可见光同样会被CCD相机101和102拍摄到，从而影响了后续的三维数据计算。带通滤光玻璃是一种带宽比较窄，短波和长波有明显截止的玻璃，它们的光谱特性由透射比的最大值及其波长位置，短波截止波长，长波截止波长和半宽度来表示。根据被测物体自我反射射线的波长，可以选择相应的带通滤光玻璃滤除自我反射射线。因此，本系统在CCD相机101和102前分别安装了第一、第二带通滤光玻璃104和105，两片带通滤光玻璃的功能则是令波长在380nm至480nm间的蓝色可见光通过，且滤掉波长在500nm以上以及340nm以下的非蓝色可见光，这样CCD相机便能拍摄到质量较好的变形蓝色正弦光栅，得到变形黑白正弦光栅，从而正确的计算出热态物体的三维数据。

数据采集完毕后便开始计算三维数据，数据处理详细过程如图4所示，其过程为：

(1)计算机首先对变形黑白正弦光栅进行三步相移解相。

DLP投影仪103连续快速的投射出的黑白正弦光栅，当投影正弦光栅到被测物体表面时，在物体表面上形成变形光栅，假设投影正弦光栅是标准正弦分布，则变形光栅图像的光强分布函数为：

其中I(x，y)为被测物体(x，y)点上的光强，a(x，y)为背景光的光强，b(x，y)为正弦光栅峰值的光强，K＝2π/λ称为波系数，其中，λ为投影正弦光栅的波长，

为(x，y)点的相位，θ为光栅移动的相位值。三步相移法在投射正弦光栅时，正弦光栅会在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，则式(1)的光强表达式中相位将移动2π/3，当正弦光栅等距离平移2次，每个CCD相机将获得3幅图像，分别为光栅未平移时、光栅平移栅距的1/3时和光栅平移栅距的2/3时得到的图像，记i为图像的序号，分别取值为1、2或3，则第i幅图像的光强函数为：

进行三步相移后，各步光强函数为：

由式(3)至(5)可得：

I₁、I₂、I₃分别为在光栅未平移时、光栅平移栅距的1/3时和光栅平移栅距的2/3时相机拍摄的图像上像素(x，y)的光强。

这样就可以计算出图像中每个像素的相对相位值

(又称相位主值)，在一个相位周期内它是单调递增的，但是在整个测量空间中该值不唯一，因此无法直接通过相位主值来寻找相机图像上的匹配点，这样便不能进行立体重构。

(2)利用基于极限约束的立体匹配算法获取两个CCD相机所拍摄的图像的匹配点；

此处采用一种基于极线约束的立体匹配算法。极线约束原理如图5所示，被测点P为CCD相机101、102所拍摄，其拍摄图像分别为301、302。同时被测点P在CCD相机101拍摄的图像301上的像点为P₁，在CCD相机102拍摄的图像302上的像点为P₂。并且O₁和O₂分别与CCD相机101和102的光心点，直线O₁O₂与图像301和图像302的交点e₁和e₂为极点，平面PO₁O₂与图像301和图像302的交线为极线l₁和l₂，则易知极线l₁一定通过极点e₁，极线l₂一定通过极点e₂，像点P₁一定在极线l₁上，像点P2在极线l₂上，即可以通过图像301上的点P₁坐标在图像302上求出与P₁对应的极线方程。

该系统中立体匹配算法如图6所示：

计算时取CCD图像301中的某一点P₁，根据极线约束原理，可以在DLP投影仪103的投影图像303上确定一条极线l₃，同时在投影图像303中至少可找到两条与P₁点具有相同相位主值的直线l₃₁和l₃₂，极线l₃与直线l₃₁和l₃₂交于点P₃₁和P₃₂。最后，P₁、P₃₁和P₃₂可以在图像302上找到对应的极线l₂、l₂₁和l₂₂。在这三条极线中，会有两条线在图像302上相交于一点P₂，则P₂为P₁的匹配点，同时P₂也是P点在图像302上的像点。

①计算时取图像301中的某一点P₁；

②根据极线约束原理，可以在DLP投影仪103的投影图像303上确定一条极线l₃，同时在投影图像303中至少可找到两条与P₁点具有相同相位主值的直线l₃₁和l₃₂，极线l₃与直线l₃₁和l₃₂交于点P₃₁和P₃₂。

③最后，P₁、P₃₁和P₃₂可以在图像302上找到对应的极线l₂、l₂₁和l₂₂。在这三条极线中，会有两条线在图像302上相交于一点P₂，则P₂为P₁的匹配点，同时P₂也是P点在图像302上的像点。

(3)匹配完成后便可使用双目立体视觉原理进行点云重构，计算出被测物体表面的三维点坐标。

如图7所示，空间点P在世界坐标系O_wX_wY_wZ_w下的坐标值为(X_w，Y_w，Z_w)，图像301上P点的像点P₁的图像坐标为(u₁，v₁)，通过小孔成像模型，可以列出P点从图像坐标到世界坐标的转换关系方程(8)，其中M_1(3×4)包含了CCD相机103的内外部参数。图像302上像点P₂的图像坐标为(u₂，v₂)。同样也可以列出方程(9)，其中M_2(3×4)包含了CCD相机104的内外部参数。根据方程(8)和(9)计算出被测物的三维坐标(X_w，Y_w，Z_w)。

$k_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]=M_{1(3\×4)}\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

$k_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]=M_{2(3\×4)}\left[\begin{array}{c}{X}_4\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(9\right)$

本系统提供了一种适合在线检测热物体的结构光三维扫描系统，该系统可以对处于高温条件下的物体进行快速扫描，通过对扫描光栅的解相，然后开始匹配，最后进行点云重构，获得其表面的三维数据。

Claims (2)

1.一种热态物体在线检测系统，其特征在于：该系统包括第一、第二CCD相机(101、102)，DLP投影仪(103)，第一、第二带通滤光器(104、105)，图像采集卡(106)，计算机(107)和支架(108)；第一、第二CCD相机(101、102)与DLP投影仪(103)固定在同一块金属板上，第一、第二滤光片(104、105)分别安置于第一、第二CCD相机(101、102)的前面，第一、第二CCD相机(101、102)的光心轴与DLP投影仪(103)的光心轴夹角在20至60度之间，金属板上采用外壳封装，金属板下面由支架(108)支撑；

DLP投影仪(103)向红热状态的被测物体投影蓝色的正弦光栅，由第一、第二CCD相机(101、102)同步采集由被测物体反射的已变形的蓝色正弦光栅，拍摄的正弦光栅图像经图像采集卡(106)传送给计算机(107)进行数据处理，得到被测物体的三维数据。

2.根据权利要求1所述的热态物体在线检测系统，其特征在于：计算机(107)进行数据处理的过程为：

第1步计算机首先对正弦光栅图像进行三步相移解相，得到正弦光栅图像中任一像素(x，y)的相位点相位；

每个CCD相机拍摄3幅图像，分别为光栅未平移时、光栅平移栅距的1/3时和光栅平移栅距的2/3时得到的图像，则在光栅未平移时、光栅平移栅距的1/3时和光栅平移栅距的2/3时CCD相机拍摄的图像上像素(x，y)的光强I₁、I₂和I₃分别为：

式中，a(x，y)为被测物体上像素(x，y)的背景光的光强，b(x，y)为被测物体上像素(x，y)的正弦光栅峰值的光强，K＝2π/λ称为波系数，λ为投射光栅的波长，为像素(x，y)的相位；

由式(I)至(III)得到像素(x，y)的相位：

第2步第一、第二CCD相机(101、102)分别拍摄被测点P的图像，分别称为第一图像(301)、第二图像(302)，再按照下述过程获取二个CCD相机所拍摄图像的匹配点：

①计算时取第一图像(301)中的某一点P₁；

②根据极线约束原理，在DLP投影仪投影的投影图像(303)上确定一条极线l₃，同时在投影图像(303)中至少找到两条与P₁点具有相同相位主值的直线l₃₁和l₃₂，极线l₃与直线l₃₁和l₃₂交于点P₃₁和P₃₂；

③P₁、P₃₁和P₃₂在第二图像(302)上找到对应的极线l₂、l₂₁和l₂₂；在这三条极线中，会有两条线在第二图像(302)上相交于一点P₂，则P₂为P₁的匹配点，同时P₂也是P点在第二图像(302)上的像点；

第3步匹配完成后使用双目立体视觉原理进行点云重构，计算出被测物体表面的三维点坐标。

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