CN102538708A - 任意表面三维形貌测量系统 - Google Patents

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马少鹏
刘程林
马沁巍
曾祥福
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Abstract

本发明提供了一种任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，包括激光点阵投射单元、图像采集单元和三维重建单元；其中，述激光点阵投射单元，用于向被测表面投射点阵结构光，包括激光光源和正交光栅，所述正交光栅设置在所述激光光源到被测表面的光路上；图像采集单元，用于获取所述被测表面的图像，并将该图像发送给所述三维重建单元；三维重建单元，用于与所述图像采集单元连接，用于对所述图像进行处理，获得被测表面的三维形貌数据。本发明可以不受测量表面颜色及测量环境的制约，对黑色或深色表面进行测量，也可在光学照明环境不佳的情况下得到精确的表面三维形貌测量结果。

Description

任意表面三维形貌测量系统
技术领域
本发明涉及三维表面测量系统，特别是三维表面空间坐标的光学非接触测量系统。
背景技术
工业检测和科学研究的很多领域都需要获得复杂物体表面的三维形貌信息，为了获取被测表面的三维的形貌信息，需要采用有效的测量方法。光学三维形貌测量方法由于其非接触的优点，已经广泛应用于表面检测和表面测量领域中。光学三维形貌测量方法主要有两类：投影法和双目立体视觉测量法。
投影法由一套投影仪和一套图像采集系统组成，图像采集系统包括工业摄像机和与该摄像机相连接的计算机。测量时利用投影仪将结构光(如点、线或条纹)投影到被测物体表面，然后用摄像机从另一角度采集被测物体表面的图像，通过分析被测物体表面图像中结构光的变形得到物体表面一个剖面或整个表面的高度信息。
双目立体视觉测量法利用两台摄像机来模拟人的双眼进行深度测量。首先，对摄像机的空间位置关系(外部参数)以及摄像机内部参数和镜头畸变(内部参数)进行标定。然后利用这两个摄像机从不同方位分别记录被测表面同一场景的图像，并匹配这两幅二维图像中的对应点，由标定得到的两个摄像机的内外参数，计算得到该点在空间坐标系的三维坐标。在实施双目立体视觉测量法时，需要在被测表面设置可识别的结构，如在被测表面喷涂散斑或标记点。这些可识别的结构作为图像匹配识别时依据的特征点，通过计算可以得到这些特征点的空间三维坐标，进而重建出被测表面的形貌。
以上两种测量表面三维形貌的方法都需要在被测表面预先设置可识别的结构光，然后再进行成像及后续的图像数据处理。这种结构光或者是利用投影仪在被测表面形成，或者在被测表面直接喷涂可识别的特征点。而在实践中，有些情况下在物体表面投射结构光或喷涂特征点并不容易或并无可能。例如，工厂生产线上黑色产品表面，不允许喷涂特征点，而普通白光光源投射在黑色产品表面上形成的图像的对比度非常差，无法进行测量或效果不佳。再如，在晚上或者光线很差的环境中进行测量，即使物体表面有明显的结构光，相机也无法清晰成像，测量也无可能。
发明内容
为了解决现有三维表面光学测量技术存在的局限性，能够在被测表面形成清晰的结构光图案而不受测量表面的颜色和测量环境条件的限制，本发明提供了一种任意表面三维形貌测量系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，包括激光点阵投射单元、图像采集单元和三维重建单元；其中，
所述激光点阵投射单元，用于向被测表面投射点阵结构光，包括激光光源和正交光栅，所述正交光栅设置在所述激光光源到被测表面的光路上；
所述图像采集单元，用于获取所述被测表面的图像，并将该图像发送给所述三维重建单元；
所述三维重建单元，用于与所述图像采集单元连接，用于对所述图像进行处理，获得被测表面的三维形貌数据。
进一步地，其中，所述激光光源到所述被测表面之间的距离可调。
进一步地，其中，所述激光点阵投射单元设置有至少1组互相平行的所述正交光栅。
进一步地，其中，所述正交光栅以其中心的连线为轴旋转；所述中心的连线与所述互相平行的正交光栅的面垂直。
进一步地，其中，所述激光光源为激光二极管。
进一步地，其中，所述激光二极管的轴线与所述正交光栅的中心的连线重合。
进一步地，其中，所述图像采集单元设置有2台数字成像装置。
进一步地，其中，所述激光二极管设置在所述2台数字成像装置之间。
进一步地，其中，所述图像采集单元包括数字成像装置，用于采集所述被测表面的图像。
本发明与现有的常规三维形貌测量方法相比，其优势在于不受测量环境的限制，可对工业检测中黑色或深色的无标志表面进行测量，也可在光照条件不佳的情况下实施测量，得到被测物体表面精确的三维形貌测量结果。而且利用正交光栅投射出高亮度激光点阵，通过改变激光二极管距离被测物的位置来增加和减少其点阵密度，如图2所示，从而满足不同空间分辨率测量的需要，使测量更具灵活性。
附图说明
图1为本发明所述任意表面三维形貌测量系统的一个实施例的原理图。
图2为本发明所述任意表面三维形貌测量系统的另一个实施例(通过改变激光二极管与被测物距离调整激光点投射密度)的原理图。
图3为采用本发明所述任意表面三维形貌测量系统进行测量和数据处理后的一个测量结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明三维形貌测量系统的一个实施例，其中的被测量表面为被测圆柱体3的侧面。三维形貌测量系统包括：激光点阵投射单元、图像采集单元和三维重建单元。所述图像采集单元与所述三维重建单元连接。
其中，激光点阵投射单元包括激光二极管4和正交光栅6，激光二极管4作为激光光源用于向所述被测量表面投射激光。正交光栅6设置在激光二极管4和所述被测量表面之间的光路上，即激光二极管4投射到所述被测量表面的光须经过正交光栅6。采用小型激光二极管与光栅结构相结合形成激光点阵投射单元，实现了投射的小型化，节省了测量成本，提高了测量的灵活性。
图像采集单元包括：作为数字成像装置的CCD相机2和CCD相机5，用于获取所述被测量表面的数字图像。CCD相机2和CCD相机5的型号及各种特征参数最好相同。CCD相机2和CCD相机5获得的所述数字图像传递给所述三维重建单元。图像采集单元还包括与CCD相机2、CCD相机5连接的计算机1。计算机1上设置有图像获取软件程序，用于处理CCD相机2、CCD相机5获取的数字图像。
所述三维重建单元包括计算机1。计算机1上设置有三维重建软件，对获得的被测量表面的数字图像进行处理与分析，获得所述被测量表面的三维形貌数据。具体的获得三维形貌数据的方法可以采用现有技术实现，在此不再赘述。
采用两个CCD相机是利用了现有的双目立体视觉测量法，这里只是作为一个实例，并不是限制本发明的范围，就是说也可以利用投影法，设置一个CCD相机。
本发明的关键是设置了作为光源的激光二极管4和正交光栅6。激光二极管4用于在被测量表面形成结构光，与正交光栅6配合是利用了点状光源照射正交光栅时，激光经过衍射作用投影到屏幕上形成一组激光点阵图形。因此，本发明的任意表面三维形貌测量系统可以在被测表面形成高亮度的激光点阵，由于激光光源形成的结构光不受测量环境的限制，因此本发明的三维形貌测量系统在被测表面形成的激光点阵可以作为效果良好的测量用结构光。
本发明的第二个实施例，在图1所示实施例的基础上可以改变激光二极管与被测物间的距离，如图2所示，在被测圆柱体3的表面形成的激光点阵的密度会发生变化，这使得在需要进行不同分辨率的测量(激光点阵的密度不同)时只采用一套三维形貌测量系统即可，节省了测量成本，提高了测量效率和测量质量。
图3显示了图1所示三维形貌测量系统获得的图像经过处理后得到的测量结果。
如图1和2所示，使用本发明的第二实施例所述的系统的方法如下：
在测量前先要对两个CCD相机的空间位置关系(外部参数)及内部参数(如镜头畸变)进行标定，可采用现有标定方法，不再进行详细描述。
首先，开启激二极管4；即利用激光作为在被测圆柱体的侧面形成点阵结构光的光源。由于激光本身的特性，使得即使在黑色被测表面或环境光较弱的情况下，都可以在被测圆柱体的侧面形成清晰的点阵结构光，利于得到准确的测量结果。
其次，调整激光二极管距离被测圆柱体的位置，使得被测圆柱体的侧面上形成密度尽可能大的激光点阵，以提高测量分辨率。
第三，利用两个CCD相机对被测圆柱体的侧面上的所述点阵结构光从不同角度成像。激光二极管4设置在两个CCD相机之间。
第三步得到的数字图像可以进一步利用三维重建单元得到最后的被测表面的三维形貌数据，如图3所示的结果例子。
本发明与现有的常规三维形貌测量方法相比，其优势在于不受测量环境的限制，可对工业检测中黑色或深色的无标志表面进行测量，也可在光照条件不佳的情况下实施测量，得到被测物体表面精确的三维形貌测量结果。而且利用正交光栅投射出高亮度激光点阵，通过改变激光二极管距离被测物的位置来增加和减少其点阵密度，如图2所示，从而满足不同空间分辨率测量的需要，使测量更具灵活性。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，包括激光点阵投射单元、图像采集单元和三维重建单元；其中，
所述激光点阵投射单元，用于向被测表面投射点阵结构光，包括激光光源和正交光栅，所述正交光栅设置在所述激光光源到被测表面的光路上；
所述图像采集单元，用于获取所述被测表面的图像，并将该图像发送给所述三维重建单元；
所述三维重建单元，用于与所述图像采集单元连接，用于对所述图像进行处理，获得被测表面的三维形貌数据。
2.根据权利要求1所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述激光光源到所述被测表面之间的距离可调。
3.根据权利要求2所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述激光点阵投射单元设置有至少1组互相平行的所述正交光栅。
4.根据权利要求3所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述正交光栅以其中心的连线为轴旋转；所述中心的连线与所述互相平行的正交光栅的面垂直。
5.根据权利要求4所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述激光光源为激光二极管。
6.根据权利要求5所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述激光二极管的轴线与所述正交光栅的中心的连线重合。
7.根据权利要求6所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述图像采集单元设置有2台数字成像装置。
8.根据权利要求7所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述激光二极管设置在所述2台数字成像装置之间。
9.根据权利要求8所述的任意表面三维形貌测量系统，其特征在于，所述图像采集单元包括数字成像装置，用于采集所述被测表面的图像。
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