CN102937425B - 一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，它包括计算机、高动态条纹投射器和图像采集单元。该系统通过计算机向高动态条纹投射器发送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的条纹图像，同时计算机向图像采集单元发送控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行拍摄；图像采集单元将采集的图像信息传给计算机，计算机对图像进行处理，通过图像融合、解相、相展开、立体匹配获得待测物体的三维信息。本发明能够克服强反射表面引起的采集条纹图像饱和或过暗，能够实现金属等强反射表面三维形貌的高精度非接触光学测量，可应用于各种金属强反射表面及类镜面表面的三维形貌光学非接触测量。

Description

一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，该系统能够有效克服强反射表面或强背景光对测量的影响，实现高精度非接触光学测量，可用于金属强反射表面、类镜面表面的三维形貌测量，本发明属于光学三维测量技术领域。

背景技术

基于正弦条纹投射的立体视觉检测方法作为典型的非接触光学主动三维测量方法，广泛应用于三维形貌测量、逆向工程和质量检测等诸多领域。采用这种主动视觉测量方法的测量系统具有测量精度高、获取点云稠密、测量时间短等优点。但在测量金属强反射表面或类镜面表面三维形貌时，采用这种主动视觉测量方法的各类传感器系统往往会失效。主要原因在于，主动视觉测量以正确接收到物体表面的反射光作为测量基础，而对于金属等具有强反射表面的物体来说，物体表面的强反射性质使得传感器接收到得图像饱和或过暗，产生信息失真，导致测量精度大幅下降，甚至难以进行正常测量。同时，当背景光强较强时，测量系统投射的特征光光强相对较小，测量系统信噪比下降，测量精度显著降低。

针对这一问题，国内外提出了不同的解决方法。如利用被测物体表面在不同角度下反光区域也不尽相同的特点，避开镜面反射区域，利用漫反射进行多角度局部测量，再整体拼接成完整被测表面，此方法在整体拼接过程会引入误差，影响测量精度。再有，利用被测物体表面镜面反射和漫反射的不同偏振特性，在测量系统的相机前加装偏振片，利用偏振片滤除具有偏振特性的镜面反射，只让漫反射光进入观测相机，从而实现测量，但对金属等物体表面来说，漫反射光较弱，降低了测量精度。另外，采用向具有强反光表面喷涂某种粉末，使被测物体呈现漫反射特性，以利于光学三维测量，但是，粉末厚度的不确定性增加了测量误差。

总之，目前国内外的此类测量系统无法对强反射表面或类镜面表面进行完备的三维形貌非接触光学主动三维测量，本发明针对此问题设计了一种有效、简便、稳定的测量系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，以解决现有非接触光学主动三维测量系统无法对强反射表面或类镜面表面三维形貌进行有效测量或当背景光强较强时测量精度较低的问题。

本发明的技术解决方案为：一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，它包括计算机、高动态条纹投射器和图像采集单元。三者之间的位置连接关系是：该测量系统通过计算机向高动态条纹投射器发送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的条纹图像，计算机与图像采集单元线缆相连并向图像采集单元发送控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行拍摄；高动态条纹投射器和图像采集单元通过同步触发信号相连，保证投射图像和拍摄图像的实时同步进行；拍摄完成后，图像采集单元将采集的图像信息传给计算机，计算机对图像进行处理，通过多亮度图像融合、解相、相展开、立体匹配获得待测物体的三维信息。

所述的计算机，根据待测物体表面反射率、环境光光强等先验信息，预先设置投射参数，投射参数包括具体的投射图像、投射图像的先后顺序、投射图像对应的亮度信息，计算机将投射参数和信息通过标准U SB端口写入到高动态条纹投射器中，等待投射。计算机与图像采集单元线缆相连，在投射开始前，向图像采集单元发送采集控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行采集。在图像采集完成后，图像采集单元把采集到图像信息传送给计算机，由计算机进行图像处理和计算。计算机将获得的多幅不同亮度、不同曝光时间下的条纹图像进行多图像融合，获得强反射表面完整的相移图，再对相移图进行解相、相展开和立体匹配，最后获得强反射表面完整的三维形貌信息。

所述的高动态条纹投射器，采用数字投影技术和基于FPGA的高速DM D控制电路，能够实现最高达700Hz帧频的高速投射。其间关系是FPGA作为主控端，一方面向DMD发送图像数据以供投影，另一方面与之相协调地控制LED光源的工作状态，并且同时生成触发控制信号控制相机同步拍摄；它具有输入输出同步触发模块，能够实现投射器和接收外围设备的准确协同，保证接收设备对投射图像的准确采集。照明部分采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和发光时间均可根据需要进行调制，大大拓展了投射器的亮度动态范围。高动态条纹投射器通过两路完全相同的同步触发信号接口同图像采集单元中的两个高速网口相机相连，保证高动态条纹投射器高速投射图像时，图像采集单元能搞准确实时同步进行图像的采集。

所述的图像采集单元由两台具有外部同步触发接口的高速网口相机组成，进行图像的拍摄和传输。

其中，该计算机的型号是DELL的Optiplex系列980。

其中，该高速网口相机的型号是德国basler的piA640-210gm。

本发明的原理是：由计算机根据不同的反射物表面、背景光强信息设计相应的投射参数和曝光参数，将投射参数传送给高动态条纹投射器，高动态条纹投射器同图像采集模块通过同步触发信号相连，实现在不同曝光参数下，投射图像和采集图像的实时同步。计算机对采集到的多亮度图像进行图像融合、解相、相展开和立体匹配，最终获得待测表面的三维形貌信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：（1）广泛适用于各种强反射表面或类镜面表面的三维形貌测量，适应性强。（2）有效克服背景光对测量的影响，测量精度高。（3）高速信号通道，实时同步触发，测量速度快。

附图说明

图1为本发明一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统的结构图；

具体实施方式

见图1，本发明一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，包括计算机、高动态条纹投射器和图像采集单元。本系统通过计算机向高动态条纹投射器发送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的条纹图像，同时计算机向图像采集单元发送控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行拍摄。其中，高动态条纹投射器和图像采集单元通过同步触发信号相连，保证投射图像和拍摄图像的实时同步进行；拍摄完成后，图像采集单元将采集的图像信息传给计算机，计算机对图像进行处理，通过多亮度图像融合、解相、相展开、立体匹配获得待测物体的三维信息。

计算机部分，它是整个测量系统的控制中心。

计算机部分，根据待测物体表面反射率、环境光光强等先验信息，预先设置投射参数，投射参数包括具体的投射图像、投射图像的先后顺序、投射图像对应的亮度信息，计算机将投射参数和信息通过标准USB端口写入到高动态条纹投射器中，等待投射。

计算机部分中的先验信息是在测量开始前通过预投射获得的。不同曝光时间下，先利用高动态条纹投射器对背景光照明下的工件进行拍摄，计算机根据拍摄获得的图像，提取出物体表面反射情况、环境光光强等信息，计算机对这些信息保存，在正式测量时，根据这些信息，生成需要投射的具有不同特征的投射图像。

计算机部分与图像采集单元相连，在投射开始前，向图像采集单元发送采集控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行采集。在图像采集完成后，图像采集单元把采集到图像信息传送给计算机，由计算机进行图像处理和计算。

计算机部分中所述的采集控制信息包括图像采集单元的曝光模式、曝光时间、光圈大小、触发模式等。

计算机部分将获得的多幅不同亮度、不同曝光时间下的条纹图像进行多图像融合，获得强反射表面完整的相移图，再对相移图进行解相、相展开和立体匹配，最后获得强反射表面完整的三维形貌信息。

计算机部分所述的图像融合指以调制亮度值为标准，通过比较不同亮度、不同曝光时间获得图像的调制亮度值，记录每一点对应调制亮度最大值的相移图，最后提取各点，将所有点融合成新的相移图。对于新的相移图，每一点的调制亮度值均为最大，同时每一点的相移图也对应着同样的曝光时间和亮度值。

计算机部分所述的解相，一般采用相移法。每幅图像的光强函数可以表述为：gi(x,y)＝a(x,y)＋r(x,y)cos[Φ(x,y)＋i*2π/N]，用最小二乘法求解相位Φ(x,y)有如下表达式： $\mathrm{\Φ}(x,y)=-\arctan \left(\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i(x,y)\sin \frac{2\mathrm{\πi}}{N}}{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i(x,y)\cos \frac{2\mathrm{\πi}}{N}}\right),$ 其中当N＝4时即为著名的四步相移法。

计算机部分所述的相展开，一般采用外差多频相展开方法。外差多频相展开方法一般投射两组频率为f₁,f₂的正弦光栅，两组光栅计算得到的相主值分别为Φ₁(x,y)和Φ₂(x,y)。根据外差原理，对于频率为f_b=f₁-f₂的正弦光栅，在点(x,y)处的相主值为Φ_b(x,y)=Φ₁(x,y)-Φ₂(x,y)，假设φ₁(x,y)为对Φ₁(x,y)进行相位展开的结果，则有： ${\mathrm{\φ}}_1(x,y)=\frac{f_1}{f_1-f_2}{\mathrm{\Φ}}_b(x,y).$

计算机部分所述的立体匹配，空间中一点的三维坐标，在获取了其在左右相机中的图像坐标以及相机的内外参数后，根据 $\left\{\begin{array}{c}{S}_L\left[\begin{array}{c}{u}_L\\ v_L\\ 1\end{array}\right]=A_L\left[R_L\right|T_L]\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\\ Z_W\\ 1\end{array}\right]\\ S_R\left[\begin{array}{c}{u}_R\\ v_R\\ 1\end{array}\right]=A_R\left[R_R\right|T_R]\left[\begin{array}{c}{X}_R\\ Y_R\\ Z_R\\ 1\end{array}\right]\end{array}\right.$ 即可获得。该计算机是DELL的Optiplex系列980。

高动态条纹投射器，采用数字投影技术和基于FPGA的高速DMD控制电路，能够实现最高达700Hz帧频的高速投射。其间关系是FPGA作为主控端，一方面向DMD发送图像数据以供投影，另一方面与之相协调地控制LED光源的工作状态，并且同时生成触发控制信号控制相机同步拍摄；它具有输入输出同步触发模块，能够实现投射器和接收外围设备的准确协同，保证接收设备对投射图像的准确采集。照明部分采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和发光时间均可根据需要进行调制，大大拓展了投射器的亮度动态范围。高动态条纹投射器通过两路完全相同的同步触发信号接口同图像采集单元中的两个高速网口相机相连，保证高动态条纹投射器高速投射图像时，图像采集单元能搞准确实时同步进行图像的采集。

图像采集单元由左右两台具有外部同步触发接口的高速网口相机组成，一般选择CCD相机进行图像拍摄。该高速网口相机是德国basler的piA640-210gm。

Claims (1)

1.一种基于高动态条纹投射器的强反射表面三维形貌测量系统，其特征在于：它包括计算机、高动态条纹投射器和图像采集单元；该测量系统通过计算机向高动态条纹投射器发送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的条纹图像，计算机与图像采集单元线缆相连并向图像采集单元发送控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行拍摄；高动态条纹投射器和图像采集单元通过同步触发信号相连，保证投射图像和拍摄图像的实时同步进行；拍摄完成后，图像采集单元将采集的图像信息传给计算机，计算机对图像进行处理，通过多亮度图像融合、解相、相展开、立体匹配获得待测物体的三维信息；

所述的计算机，根据待测物体表面反射率、环境光光强先验信息，预先设置投射参数，投射参数包括具体的投射图像、投射图像的先后顺序、投射图像对应的亮度信息，计算机将投射参数和信息通过标准USB端口写入到高动态条纹投射器中，等待投射；计算机与图像采集单元线缆相连，在投射开始前，向图像采集单元发送采集控制信息，控制图像采集单元在不同曝光时间下进行采集；在图像采集完成后，图像采集单元把采集到图像信息传送给计算机，由计算机进行图像处理和计算；计算机将获得的多幅不同亮度、不同曝光时间下的条纹图像进行多图像融合，获得强反射表面完整的相移图，再对相移图进行解相、相展开和立体匹配，最后获得强反射表面完整的三维形貌信息；

所述的高动态条纹投射器，采用数字投影技术和基于FPGA的高速DMD控制电路，能够实现最高达700Hz帧频的高速投射；FPGA作为主控端，一方面向DMD发送图像数据以供投影，另一方面与之相协调地控制LED光源的工作状态，并且同时生成触发控制信号控制相机同步拍摄；它具有输入输出同步触发模块，能够实现投射器和接收外围设备的准确协同，保证接收设备对投射图像的准确采集；照明部分采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和发光时间均根据需要进行调制，拓展了投射器的亮度动态范围；高动态条纹投射器通过两路完全相同的同步触发信号接口同图像采集单元中的两个高速网口相机相连，保证高动态条纹投射器高速投射图像时，图像采集单元能搞准确实时同步进行图像的采集；

所述的图像采集单元由两台具有外部同步触发接口的高速网口相机组成，进行图像的拍摄和传输；

其中，该计算机的型号是Optiplex系列980；

其中，该高速网口相机的型号是basler的piA640-210gm。