CN102721375A - 一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，该方法能够实现对强反光金属结构件的在位测量，它有八大步骤。该方法首先对左右相机和投射器进行标定；再利用在位测量机床提供的参数求取投射器与工件坐标系的相对位姿；然后通过零件CAD的模型的各个面法线方向进行测量规划；进而工件上需要测量的点投影到数字投射器上，确定出需要投射的区域后选择性投射；最后通过对相机拍的图片的相位解算完成物体的三维复现。本发明除了具有速度快、精度高和三维点云稠密等优点外，还实现了无人工干预下的全自动在位测量，可操作性强，能够满足现场强反光金属结构件在位快速测量的需求。

Description

一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法

技术领域

本发明涉及一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，本方法可用于对强反光金属结构件的在位测量。本发明属于机器视觉技术领域。

背景技术

大型金属结构件在航空、航天、船舶、汽车等高端装备制造领域应用十分广泛，其加工精度对装备的性能具有重要作用。传统金属整体结构件的材料主要为铝合金或钛合金，经过精密铣削加工之后结构件表面极为光滑，会出现强反光现象，使现有商用光学三维视觉测量仪器失效，无法正确测量金属等强反光表面的三维形貌。尤其在基于自适应快速条纹投射的在线三维视觉检测方法中，金属结构件表面的强反光导致相机采集到的条纹图像饱和或过暗，无法正确解相，出现大面积三维点云缺失，而且即便是测量出的三维点云，其测量精度也较低。解决问题的关键在于提高测量系统的动态范围，使其与金属表面反射率范围一致。而且，现场测量环境下，环境光干扰不易控制，测量系统必须能够适应现场环境光的要求，大幅提高了强反光金属结构件在位测量的难度。

因此，在强反光金属结构件在位测量中，金属表面强放光问题和多次反光问题是亟待解决的关键瓶颈，测量基础理论和关键技术亟待突破。研究强反光表面三维形貌测量理论和方法，建立多次反光条件下新的测量理论，突破强反光金属结构件在位测量中的技术瓶颈，建立完整的强反光金属结构件在位测量中多次反光抑制理论和方法体系具有重要的应用和推广价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提出一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，将选择性投射多次反光抑制技术、强反光表面的高动态范围条纹图像采集技术与高速、高动态范围和选择性投射的数字条纹投射器相结合，通过选择性投射多次反光抑制技术实现对被测表面条纹的选择性投射，通过强反光表面的高动态范围条纹图像采集技术实现提高合成高动态范围条纹图像，通过高速、高动态范围和选择性投射的数字条纹投射器实现投射的条纹具有较大的亮度变化范围、较高的响应速度和刷新频率，从而实现强反光金属结构件的在位测量。

本发明的技术解决方案为：一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：利用基于平面靶标的相机标定算法，标定左相机、右相机和投射器内参数，标定出左相机与右相机之间的外参数和左相机与投射器之间的外参数。

首先将平面靶标至于投射器和相机前，通过相机拍摄靶标计算圆心点坐标；然后投射横纵条纹，计算圆心点坐标对应的相位，并由相位计算对应的数字投射器坐标，从而建立其靶标圆心三维坐标与投射器像平面上二维图像坐标的关系；最后利用基于平面靶标的相机标定算法，标定投影仪内参数。

利用靶标作为中介标定出投影仪与左相机之间的外参数和左相机与右相机之间的外参数。

步骤二：通过零件的CAD模型进行测量规划。

首先根据高斯球原理，确定测量传感器的测量姿态（方位角）；然后根据测量传感器单视场的测量范围，确定每个姿态下测量传感器的空间坐标。再根据坐标转换原理，将传感器的空间坐标转换为机床下的坐标值。最后，就划分出来了需要选择性投射的各个面。

步骤三：计算被测工件和数字投射器之间的坐标关系。

即需要确定旋转矩阵R和平移向量T。数字投射器与左相机坐标系之间的相对位姿可由数字投射器标定给出，左相机坐标系与拼接测量坐标系之间的相对位姿可由拼接测量系统给出，拼接测量坐标系与工件坐标系之间的相对位姿可由坐标对齐系统给出，由坐标系转换关系可得到数字投射器与工件坐标系之间的相对位姿。

步骤四：将工件上需要测量的点投影到数字投射器上，确定出需要投射的区域。

将工件上需要测量的点的坐标转换成数字投射器坐标，由此确定出需要投射的区域，为选择性投射做准备。

步骤五：投射的区域进行腐蚀及膨胀运算后，选择性投射。

根据步骤二对被测零件的测量规划，根据投射面和现场环境的需要选择性投射不同亮度的条纹图像。

步骤六：利用左右相机拍摄投射需要测的各个面的条纹图像。

根据需要调节相机曝光时间拍摄待测面的图像。

步骤七：相位解算与正确性分析。对拍摄的物体横、竖正弦条纹的投影，进行相位解算和相位展开，获得大量匹配点。

相位解算采用四步相移法。对应的解相公式为

$\mathrm{\Φ}(x,y)=\arctan \frac{g_3(x,y)-g_1(x,y)}{g_0(x,y)-g_2(x,y)}$

其中g_i(x,y)为条纹图像，Φ(x,y)为需要解算的相主值，i为相移次数。

利用外差多频相位展开法进行相位展开。

通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，可进行相位展开。根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹。

经过对物体的横竖投影、拍照，相位解算和展开之后，左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值。这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中。

步骤八：利用外差多频相位展开法得到的最后的解相结果进行被测表面的三维复现，得到被测表面的三维点坐标。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明基于最佳条纹调制度的高动态条纹投射与采集参数自动优化选择方法。在分析投射栅相位法的测量机理、强反光金属结构件的反光特点和现场在位测量环境的基础上，建立强反光表面测量模型，以最佳条纹调制度为准则，分析高动态条纹投射与采集参数优化理论和自动选择方法，提高强反光表面三维形貌在位测量的可行性和实用性。

（2）本发明基于选择性投射的多次反光抑制理论和方法。根据在位测量中的路径规划结果和金属结构件设计模型，自动计算选择性投射的区域，保证多次反光抑制理论和方法的正确性和实用性。

（3）本发明针对强反光金属表面在位测量需求，研制可实现选择性投射的高速、高动态范围数字条纹投射器等专用测量设备，从硬件上满足强反光金属表面在位测量需求，有效推进强反光金属表面在位测量理论和方法的实际应用，从根本上解决该测量难题。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细的描述。

参照附图1，一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，包含如下步骤：

在对强反光金属结构件的在位测量之前，测量系统需要进行测量前的准备工作，包括调试测量软件、投射器等；

步骤一：利用基于平面靶标的相机标定算法，标定左相机、右相机和投射器内参数，标定出左相机与右相机之间的外参数和左相机与投射器之间的外参数。

首先将平面靶标至于投射器和相机前，通过相机拍摄靶标计算圆心点坐标；然后投射横纵条纹，计算圆心点坐标对应的相位，并由相位计算对应的数字投射器坐标，从而建立其靶标圆心三维坐标与投射器像平面上二维图像坐标的关系；最后利用基于平面靶标的相机标定算法，标定投影仪内参数。

利用靶标作为中介标定出投影仪与左相机之间的外参数和左相机与右相机之间的外参数。

步骤二：通过零件的CAD模型进行测量规划。

首先根据高斯球原理，确定测量传感器的测量姿态（方位角）；然后根据测量传感器单视场的测量范围，确定每个姿态下测量传感器的空间坐标。再根据坐标转换原理，将传感器的空间坐标转换为机床下的坐标值。最后，就划分出来了需要选择性投射的各个面。

步骤三：计算被测工件和数字投射器之间的坐标关系。

即需要确定旋转矩阵R和平移向量T。数字投射器与左相机坐标系之间的相对位姿可由数字投射器标定给出，左相机坐标系与拼接测量坐标系之间的相对位姿可由拼接测量系统给出，拼接测量坐标系与工件坐标系之间的相对位姿可由坐标对齐系统给出，由坐标系转换关系可得到数字投射器与工件坐标系之间的相对位姿。

步骤四：将工件上需要测量的点投影到数字投射器上，确定出需要投射的区域。

将工件上需要测量的点的坐标转换成数字投射器坐标，由此确定出需要投射的区域，为选择性投射做准备。

步骤五：投射的区域进行腐蚀及膨胀运算后，选择性投射。

根据步骤二对被测零件的测量规划，根据投射面和现场环境的需要选择性投射不同亮度的条纹图像。

步骤六：利用左右相机拍摄投射需要测的各个面的条纹图像。

根据需要调节相机曝光时间拍摄待测面的图像。

步骤七：相位解算与正确性分析。

对拍摄的物体横、竖正弦条纹的投影，进行相位解算和相位展开，获得大量匹配点。

相位解算采用四步相移法。对应的解相公式为

$\mathrm{\Φ}(x,y)=\arctan \frac{g_3(x,y)-g_1(x,y)}{g_0(x,y)-g_2(x,y)}$

其中g_i(x,y)为条纹图像，Φ(x,y)为需要解算的相主值，i为相移次数。

利用外差多频相位展开法进行相位展开。

通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，可进行相位展开。根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹。

经过对物体的横竖投影、拍照，相位解算和展开之后，左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值。这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中。

步骤八：利用外差多频相位展开法得到的最后的解相结果进行被测表面的三维复现，得到被测表面的三维点坐标。

Claims (1)

1.一种强反光金属结构件的在位测量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：利用基于平面靶标的相机标定算法，标定左相机、右相机和投射器内参数，标定出左相机与右相机之间的外参数和左相机与投射器之间的外参数；首先将平面靶标至于投射器和相机前，通过相机拍摄靶标计算圆心点坐标；然后投射横纵条纹，计算圆心点坐标对应的相位，并由相位计算对应的数字投射器坐标，从而建立其靶标圆心三维坐标与投射器像平面上二维图像坐标的关系；最后利用基于平面靶标的相机标定算法，标定投影仪内参数，利用靶标作为中介标定出投影仪与左相机之间的外参数和左相机与右相机之间的外参数；

步骤二：通过零件的CAD模型进行测量规划；首先根据高斯球原理，确定测量传感器的测量姿态即方位角；然后根据测量传感器单视场的测量范围，确定每个姿态下测量传感器的空间坐标；再根据坐标转换原理，将传感器的空间坐标转换为机床下的坐标值；最后，就划分出来了需要选择性投射的各个面；

步骤三：计算被测工件和数字投射器之间的坐标关系；即需要确定旋转矩阵R和平移向量T；数字投射器与左相机坐标系之间的相对位姿由数字投射器标定给出，左相机坐标系与拼接测量坐标系之间的相对位姿由拼接测量系统给出，拼接测量坐标系与工件坐标系之间的相对位姿由坐标对齐系统给出，由坐标系转换关系得到数字投射器与工件坐标系之间的相对位姿；

步骤四：将工件上需要测量的点投影到数字投射器上，确定出需要投射的区域；将工件上需要测量的点的坐标转换成数字投射器坐标，由此确定出需要投射的区域，为选择性投射做准备；

步骤五：投射的区域进行腐蚀及膨胀运算后，选择性投射；根据步骤二对被测零件的测量规划，根据投射面和现场环境的需要选择性投射不同亮度的条纹图像；

步骤六：利用左右相机拍摄投射需要测的各个面的条纹图像；根据需要调节相机曝光时间拍摄待测面的图像；

步骤七：相位解算与正确性分析；对拍摄的物体横、竖正弦条纹的投影，进行相位解算和相位展开，获得大量匹配点；

相位解算采用四步相移法，对应的解相公式为

其中g_i(x,y)为条纹图像，Φ(x,y)为需要解算的相主值，i为相移次数；

利用外差多频相位展开法进行相位展开，通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，进行相位展开；根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹，经过对物体的横竖投影、拍照，相位解算和展开之后，左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值，这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中；

步骤八：利用外差多频相位展开法得到的最后的解相结果进行被测表面的三维复现，得到被测表面的三维点坐标。

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