CN101813462A - 单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法。本发明提供的测量系统包括一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，该计算机一路连接显示器，另一路连接投影仪，同时，该计算机通过图像采集卡连接摄像装置。测量方法是：建立起参考平面坐标(x，y)和光强分布I(x，y)间的映射关系；放入被测物体后，由摄像装置采集图像并传入计算机，从中得出物面上任意一点D的相位φ₁(x，y)；确定物面上任意一点D的变形光栅相对于参考光栅的相位差，最后根据公式确定被测物面上任意一点D的高度h；重复以上操作，计算整个视野内所有像素点即可得到被测物面的三维形貌。本发明实现了由一台计算机系统完成结构光投影、图像采集与处理、测量计算与结果显示的目的。

Description

单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法

【技术领域】：

本发明属于光电非接触测量技术领域，具体涉及的一种单计算机系统控制的三维形貌光学测量系统，可用于柔性物体的三维物体表面形貌的自动测量。

【背景技术】：

物体表面三维形貌测量是计算机视觉研究的内容之一，在目标的自动尺寸测量，几何形态特征识别、物理与机械变化过程自动观测等场合具有重要应用，是现代非接触光电测量手段急需解决的基础问题。物体表面三维形貌测量问题的有效解决，在以三维形貌为特征的产品检测、安全检查、过程分析与记录等方面具有重要意义。

物体表面三维形貌检测可分为接触式和非接触式两类。

接触式表面形貌检测技术采用触针测量物体表面轮廓，该方法有如下难以克服的缺点：①由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降；②测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；③为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

非接触式的三维形貌检测技术可以避免接触式检测所遇到的困难。光学测量是非接触式测量技术中的一种常用技术，以其测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本低廉等优点在逆向工程、计算机辅助设计、数控加工、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。但早期的非接触式光学测量系统中的光学和电学部分是分别设计和使用的，测量的针对性比较强，不能作为统一的测量仪器使用。

传统的非接触式三维形貌检测技术，如结构法光投影，一般使用激光按事先设计的光强分布模式投影在特定区域。这种投影一般采用专门的设备进行控制，调整非常不便。另外，当投影结构光采用激光作为光源时，由于激光特有的干涉特性，投射光强分布会有散斑效应，对测量精度产生严重影响。因此，现在都采用非干涉光，即色光做结构光投影光源。投影仪是一种最常用的影像投影设备，可作为结构光投影。投影仪都有标准的工业视频Video和计算机视频驱动VGA接口，使用非常方便。普通的计算机只有一个视频驱动VGA接口，当使用计算机控制投影时，需要不同的计算机分别实现投影和测量，也就是说测量系统至少使用两台计算机，一台用于结构光投影，一台用于图像测量与测量结果显示，这给测量系统结构带来复杂性。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法。

本发明提供的单处理器控制的三维形貌光学测量系统，主要由结构光投影、图像采集与处理和三维形貌测量结果显示三部分所组成，具体包括一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，该计算机一路连接显示器，另一路连接投影仪，同时，该计算机通过图像采集卡连接摄像装置。

本发明所述的三维形貌光学测量方法的具体过程是：

第一、选用一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，将该计算机同时连接显示器和投影仪；

第二、将所述计算机与摄像装置连接；

第三、将所述投影仪光轴与探测参考平面法向成6°角，摄像装置的光轴与探测参考平面垂直，垂直距离为L，且两者放置在同一水平面上，两者间距离为d；

第四、建立起参考平面坐标(x，y)和光强分布I(x，y)间的映射关系；

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf₀x+φ₀(x，y))    (1)

其中：a(x，y)和b(x，y)和物体表面的吸收与反射有关，φ₀(x，y)是参考平面的初始相位。

第五、放入被测物体后，由摄像装置采集图像并传入计算机，从中得出物面上任意一点D的相位φ₁(x，y)；

第六、确定物面上任意一点D的变形光栅相对于参考光栅的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}(x,y)={\mathrm{\φ}}_1(x,y)-{\mathrm{\φ}}_0(x,y)=2\mathrm{\π}{f}_0\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}---\left(2\right)$

第七、根据以下公式确定被测物面上任意一点D的高度h为：

$h=\frac{L\·\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}{d+\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}+\frac{L\·\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}{2\mathrm{\π}{f}_{0}d+\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}---\left(3\right)$

第八、重复以上第五至第七步，计算整个视野内所有像素点即可得到被测物面的三维形貌。

本发明的优点和积极效果：

本发明使用带有双屏驱动的显示适配器，经特定的程序实现了由一台计算机(单处理器控制)完成结构光投影和图像采集处理与测量结果显示于一体的目的。

本发明单处理器控制的三维形貌光学测量系统具有以下优点：

(1)结构光投影与图像采集和测量结果显示由一台计算机实现，结构如图(1)所示；

(2)系统具有图像畸变矫正功能，该功能通过事先设定的标准模板采集后的图像校准得以实现；

(3)测量系统具有光照环境的自适应性，该功能通过计算机程序控制的摄像机白平衡得以实现；

(4)系统可以实现自动投影模式设置，模式主要参数为：投影条纹频率和色彩选择，控制流程如图(2)所示；

(5)使用Windows内部函数库OpenGL进行三维形貌显示。

【附图说明】：

图1是三维形貌测量系统结构示意图，计算机带有一个双屏驱动卡，一个用于显示测量结果，一个用于控制投影仪投影结构光。被结构光照明的被测物体由摄相机摄取图像并通过图像采集卡将图像输入到计算机中。

图2是结构光投影、结构光模式控制、白平衡控制、图像采集、数据处理与结果显示程序流程图。

图3是投影测量原理测量实验示意图。

图4是实验测量中使用的被测球冠。

图5是在球面上投影结构光后采集的图像。

图6是图5中的图像经相位解算得到的三维形貌图。

【具体实施方式】：

本发明的投影测量原理

如图3所示，投影仪与探测平面上的摄像装置成6°角度摆放，且两者放置在同一水平面上，两者间距离为d，其中摄像装置的光轴垂直于参考平面，垂直距离为L。当把正弦光栅投影到参考平面上时，在参考平面上沿x方向的相位分布φ(x，y)(不是关于x的线性函数)相对于参考点O的相位值是唯一的和单调变化的。

距离OC可以通过距离L、d，以及物体像面成像关系可知。放入被测物体后，摄像装置(如CCD)采集图像，从中可以得出物面上D点的相位φ_D，又因为该点上的相位值和参考平面上A点的相位φ_A相等，由相似三角形ΔP₂DI₂和ΔADC，即可以计算出物面D点的高度h为：

$h=\frac{\mathrm{AC}(L-h)}{d}---\left(1\right)$

式中d和L是图3中所示的系统结构的两个参数，在大多数实际应用中AC＜＜d，则上式可进一步简化为：

$h=\mathrm{AC}\frac{L}{d}=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{tg\θ}}---(2.)$

θ为∠P₂OI₂的大小。当投影系统把正(余)弦光栅投射到参考平面上时，得到的光栅光强表示为：

I₀(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf₀x+φ₀(x，y))     (3)

这样我们就得到了被测物体高度映射关系的另一种表达式，其中，(x，y)是参考平面上任意一点坐标值，a(x，y)是随空间变化的平均光强，b(x，y)是光栅条纹光强的调制幅度，

是参考平面光栅信号的相位，f₀是光栅条纹的空间变化频率，即投影的结构光频率。在计算过程中，a(x，y)和b(x，y)不影响物体相貌产生的相位变化。

当存在被测物体后，摄像机所观察到的变形光栅的光强可以表示为：

I₁(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf₀x+φ₁(x，y))     (4)

是三维形貌引起的变形光栅的相位信号。

由(3)和(4)两式可得到变形光栅相对于参考光栅的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}(x,y)={\mathrm{\φ}}_1(x,y)-{\mathrm{\φ}}_0(x,y)=2\mathrm{\π}{f}_0\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}---\left(5\right)$

根据系统结构的几何关系，ΔP₂DI₂与ΔADC相似，可得被测物体的高度h为：

$h=\frac{L\·\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}{d+\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}+\frac{L\·\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}{2\mathrm{\π}{f}_{0}d+\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}---\left(6\right)$

图5是在球面上投影结构光后采集的图像，图6是经相位解算得到的三维形貌图。

实施例1：

本实例使用的计算机为：Intel Pentium D CPU 2.66GHz，内存256M；双VGA输出显示卡型号为：NVIDIA GF5500 256M；操作系统为Window XP。

采用VC++编程实现计算机控制自由改变投影图样的形式(光栅、栅格、二元编码图样)、周期和对比度等优点，在本系统中，采用的是MITSUBISHI TLECTRIC的MD-150sLCD投影仪，其分辨率为1024x768。

具体的图像投影与采集试验设备见下表：

表1实验设备型号参数表

设备名称	型号及参数
		投影仪CCD摄像机图像采集卡	MITSUBISHI TLECTRIC的MD-150s LCD投影仪VS-C442D 420线彩色CCD摄像机大恒公司出品的VIDEO-PCI-XR采集卡

图4为被测实物，图5为结构光投影图，图6为测量计算结果。测量的球体半径为100mm，球冠高度为50mm。球冠中心的测量误差较小，而球冠边缘的测量误差较大，使用统计方法得到的均方误差的相对数值为0.4％。表2给出了部分测量数据。

表2部分实验测量数据表

被测物高度(mm)	9.95	9.80	9.54	9.17	8.66
						测量值(mm)	9.90	9.82	9.60	9.20	9.68

Claims (2)

1.一种单处理器控制的三维形貌光学测量系统，其特征在于该测量系统主要由结构光投影、图像采集与处理和三维形貌测量结果显示三部分所组成，具体包括一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，该计算机系统的显示部分的两路输出信号中，一路连接显示器，另一路连接投影仪，同时，该计算机通过图像采集卡连接摄像装置。

2.一种使用权利要求1所述的测量系统进行三维形貌光学测量的方法，其特征在于该方法的具体过程是：

第一、选用一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，将该计算机同时连接显示器和投影仪；

第二、将所述计算机与摄像装置连接；

第三、将所述投影仪光轴与探测参考平面法向成6°角，摄像装置的光轴与探测参考平面垂直，垂直距离为L，且两者放置在同一水平面上，两者间距离为d；

第四、建立起参考平面坐标(x，y)和光强分布I(x，y)间的映射关系；

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf₀x+φ₀(x，y))       (1)

其中：a(x，y)和b(x，y)和物体表面的吸收与反射有关，φ₀(x，y)是参考平面的初始相位；

第五、放入被测物体后，由摄像装置采集图像并传入计算机，从中得出物面上任意一点D的相位φ₁(x，y)；

第六、确定物面上任意一点D的变形光栅相对于参考光栅的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}(x,y)={\mathrm{\φ}}_1(x,y)-{\mathrm{\φ}}_0(x,y)=2\mathrm{\π}{f}_0\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}---\left(2\right)$

第七、根据以下公式确定被测物面上任意一点D的高度h为：

$h=\frac{L\·\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}{d+\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}=\frac{L\·\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}{2\mathrm{\π}{f}_{0}d+\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}---\left(3\right)$

第八、重复以上第五至第七步，计算整个视野内所有像素点即可得到被测物面的三维形貌。

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