CN104266607B - 镜面目标轮廓光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜面目标轮廓光学测量系统和方法；一种镜面目标轮廓光学测量系统，包括计算机系统、采集单元和光源单元；一种镜面目标轮廓光学测量方法包括获取光带图像、获取干扰图像、对光带图像和干扰图像进行处理得到净化图像、对净化图像进行中值滤波、均值滤波、图像二值化、图像细化和图像还原处理重构镜面目标三维轮廓图像。本发明解决了CCD传感器必须和被测镜面物体所在的空间位置必须满足反射定律问题，大大提高了测量系统的通用性；同时解决了镜面目标的反光问题和强背景光中获取目标真实图像问题，消除了镜面目标三维测量中镜面目标反射环境光对测量结果的影响。

Description

镜面目标轮廓光学测量方法

技术领域

本发明属于光线轮廓测量技术领域，尤其涉及一种镜面目标轮廓光学测量系统和方法。

背景技术

上个世纪70年代以来，光学轮廓测量技术以其高精度、高效率和非接触性的优点在高速检测，产品开发、质量控制、反求工程等领域得到广泛的应用和发展。现有光轮廓测量技术主要针对的是漫反射物体，而难以有效地测量镜面反射物体。在工程中，特别是在现代制造业中，存在大量镜面反射物体需要测量。例如，汽车工业中，喷涂车身、抛光模具等的表面均是镜面反射性质。镜面物体的光学轮廓测量技术研究已严重滞后于需求的快速增长。主要原因是镜面物体同漫反射物体在反射模型上存在较大差异。镜面反射时，光束的反射方向取决于入射方向和物体表面法线方向。这将造成反射光线不能保证被图像采集系统所捕捉。即使捕捉到反射光线,被测镜面物体的面形数据也严重依赖于物面的法向信息，使测量变得极其困难。目前，镜面反射物体的测量一般采用两种办法：其一，采用三坐标测量机等接触式测量设备，速度较慢，一般难以测量完整轮廓；其二，喷涂表面，改变其反射特性为漫反射后用主动或被动的光学方法测量，这种方法削弱了光学测量方法的非接触优点，并且需要对被测目标进行额外的表面加工；其三，把图像传感器置于反射光路上。基于条纹反射的镜面物体测量技术系统，显示屏、被测镜面物体和图像传感器CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律。图像传感器置于条纹反射光路上，计算机控制LCD显示屏生成正弦条纹图像，CCD像机通过镜面物体观察受调制的LCD显示屏虚像，得到的一帧变形条纹图像。其中，反射光线在物体表面偏转角度受镜面物体表面梯度调制。由光线追迹得到的反射光线在LCD显示屏坐标系中位置偏移量，该偏移量反映了该处的梯度大小，表现为变形条纹的相位调制。分别投影水平和垂直方向的条纹图像，通过适当的相移和相位解调技术[1,2]可以得到物体表面的调制相位分布，最后采用自适应光学中的Southwell区域波前重构法进一步对梯度数据积分重建物体外形。该方法的缺点是显示屏、被测镜面物体和CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律，这就大大降低了测量系统的通用性；反光问题：一旦反射光强到足以淹没条纹的程度，会使条纹产生截断，引起相位信息的误差，最终无法获得正确的高度分布。一种光学测量装置，薄膜晶体管(TFT)上显示的是一维光栅(由计算机控制可以方便地调节光栅的方向、周期以及衬比度)，待测物体表面与薄膜晶体管、CCD像机组成测量光学系统。首先对标准面进行测量，这里选择平面反射镜作为标准面，用CCD像机记录标准面的光栅像，计算出参考相位。然后将待测物体放在相同位置，得到相应的变形光栅像，计算出参考相位，除去参考相位即得到由待测物面畸变引起 的相位变化。薄膜晶体管上产生的光栅图样传递到CCD的接收平面，采用N帧相移方法可以计算出被测物面引入的相位调制，光栅由计算机产生，因此可实现精确相移，同时也可以方便地选择相移次数，实验中CCD像机直接调焦在待测物体表面，这时光栅像因离焦而变模糊，但由于采用的是正弦光栅，因此不会影响到相位测量的精度。标准面的光栅像不会发生畸变，而待测物体表面缺陷会引起光栅像变形。由梯度分布恢复待测表面面形，最简单的方法是按路径积分。但由于实际数据包含噪声，这时积分就与路径相关。按照不同的路径积分得到的结果是不同的，尤其是在测量表面起伏剧烈的类镜面反射表面时，按路径积分将得不到正确的面形分布。因此这里选用自适应光学中Southwell波前重建法恢复待测面形。该方法的缺点是显示屏、被测镜面物体和CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律。这就大大降低了测量系统的通用性；反光问题：一旦反射光强到足以淹没条纹的程度，会使条纹产生截断，引起相位信息的误差，最终无法获得正确的高度分布。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种镜面目标轮廓光学测量系统和方法，解决了CCD传感器必须和被测镜面物体所在的空间位置满足反射定律问题、镜面目标反光问题和强背景光中获取目标真实图像的问题。

本发明的技术方案是：一种镜面目标轮廓光学测量方法，包括以下步骤：

S1.利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对镜面目标进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的光带图像；

S2.关闭激光器，并利用计算机软件发出触发信号触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的干扰图像；

S3.对步骤S1中的光带图像和步骤S2中的干扰图像进行反相迭加相关运算，得到镜面目标表面的净化图像；

S4.设定镜面目标面形数据阈值，选取N幅镜面目标同一表面位置的净化图像进行时域内低通滤波处理，得到镜面目标面形数据和激光光带灰度图像，并判断N是否达到镜面目标面形数据阈值；

S5.若N没有达到镜面目标面形数据阈值，则返回步骤S1；若N达到镜面目标面形数据阈值，则对步骤S4中的激光光带灰度图像分别进行中值滤波和均值滤波处理；

S6.对步骤S5中处理后的激光光带灰度图像进行二值化处理，并利用细化算法提取结构光光条中心；

S7.采用最短对角线的轮廓线拼接方法对步骤S4中的镜面目标面形数据和步骤S6中 的结构光光条中心进行处理，重构镜面目标的三维表面轮廓，并利用VTK软件系统显示镜面目标三维轮廓图像。

进一步地，所述光带图像包括镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号和镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。

进一步地，所述干扰图像包括镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。

进一步地，所述净化图像包括镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号。

进一步地，所述反相迭加相关运算公式为：

G_n(i,j)＝G_L(i,j)cos(φ_L)+G_B(i,j)cos(φ_B)

其中，φ_B-φ_L＝π，G_L(i,j)为光带图像灰度，G_B(i,j)为干扰图像灰度，G_n(i,j)为净化图像灰度，φ_B为脉冲调制信号中干扰图像的调制相位，φ_L为脉冲调制信号中光带图像的调制相位。

一种镜面目标轮廓光学测量系统，包括计算机系统、采集单元和光源单元；所述采集单元包括三台CCD像机，三台CCD像机分别与计算机系统有线连接；所述光源单元包括三台激光器，三台激光器分别与计算机系统有线连接。

进一步地，所述采集单元三台激光器发出的线型激光位于同一平面内。

本发明的有益效果是：本发明通过对镜面目标面形数据进行提取，解决了CCD传感器必须和被测镜面物体所在的空间位置必须满足反射定律问题，大大提高了测量系统的通用性，不需要为待测量镜面目标专门设计测量系统；同时通过对光带图像和干扰图像进行反相迭加相关运算得到净化图像，解决了镜面目标的反光问题和强背景光中获取目标真实图像问题，消除了镜面目标三维测量中镜面目标反射环境光对测量结果的影响，能够得到清晰、准确、有效的镜面目标三维轮廓图像。

附图说明

图1是本发明的镜面目标轮廓光学测量方法流程示意图。

图2是本发明的镜面目标面形数据提取原理示意图。

图3是本发明的镜面目标三维轮廓测量系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的镜面目标轮廓光学测量方法流程示意图。本发明的镜面目标 轮廓光学测量方法主要包括镜面目标面形数据提取和镜面目标三维轮廓重构两个过程。如图2所示，为本发明的镜面目标面形数据提取原理示意图。如图3所示，为本发明的镜面目标三维轮廓测量系统结构示意图。本发明的镜面目标轮廓光学测量系统包括计算机系统、采集单元和光源单元。采集单元包括三台CCD像机，用于采集镜面目标反射的光学信号，三台CCD像机分别与计算机系统有线连接。光源单元包括三台激光器，用于为本发明的镜面目标三维轮廓测量系统提供光源，三台激光器分别与计算机系统有线连接。三台激光器发出的线型激光位于同一平面内，保证获取准确的镜面目标轮廓线，提高本发明的镜面目标三维轮廓测量方法的测量精度。本发明的镜面目标轮廓光学测量方法具体包括以下步骤：

S1.利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对镜面目标进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的光带图像。

本发明首先通过计算机系统中的计算机软件向激光器发出脉冲调制信号，对激光器进行调制；再由激光器输出线型光束作为本发明的光源，对镜面目标表面进行照明。同时，利用计算机系统中的计算机软件向CCD图像传感器发送触发信号，CCD图像传感器开始同步采集镜面目标表面的光带图像。这里的光带图像包括镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号和镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。将光带图像的灰度表示为G_L(i,j)。

S2.关闭激光器，并利用计算机软件发出触发信号触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的干扰图像。

由于步骤S1中得到的光带图像包括了镜面目标周围环境通过镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号，为了排除这些光噪声信号对镜面目标三维轮廓测量造成的影响，本发明首先关闭激光器，停止对镜面目标表面输出线型光束；再利用计算机系统中的计算机软件向CCD图像传感器发送触发信号，CCD图像传感器开始采集镜面目标表面的干扰图像。这里的干扰图像包括镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。将干扰图像灰度表示为G_B(i,j)。

S3.对步骤S1中的光带图像和步骤S2中的干扰图像进行反相迭加相关运算，得到镜面目标表面的净化图像。

本发明通过对光带图像和干扰图像进行反相迭加相关运算，得到镜面目标表面的净化图像。净化图像消除了镜面目标周围环境通过镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号，只包含镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号。这里的反相迭加相关运 算公式具体为：

G_n(i,j)＝G_L(i,j)cos(φ_L)+G_B(i,j)cos(φ_B)

其中，φ_B-φ_L＝π，φ_B为脉冲调制信号中干扰图像的调制相位，φ_L为脉冲调制信号中光带图像的调制相位。

S4.设定镜面目标面形数据阈值，选取N幅镜面目标同一表面位置的净化图像进行时域内低通滤波处理，得到镜面目标面形数据和激光光带灰度图像，并判断N是否达到镜面目标面形数据阈值。

由于镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号远强于镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号，因此无法直接提取镜面目标的面形数据。本发明通过设定镜面目标面形数据阈值，从镜面目标表面的所有净化图像中选取N幅镜面目标同一表面位置的净化图像，并通过将选取的净化图像在时域内进行低通滤波处理，提取得到镜面目标的面形数据和激光光带灰度图像。为了提取得到完整的镜面目标面形数据和激光光带灰度图像，本发明还需要通过判断N是否达到镜面目标面形数据阈值来判断是否提取得到完整的镜面目标面形数据和激光光带灰度图像。

S5.若N没有达到镜面目标面形数据阈值，则返回步骤S1；若N达到镜面目标面形数据阈值，则对步骤S4中的激光光带灰度图像分别进行中值滤波和均值滤波处理。

本发明通过对激光光带灰度图像分别进行中值滤波和均值滤波处理消除光噪声信号对本发明的镜面目标轮廓光学测量方法造成的影响。

S6.对步骤S5中处理后的激光光带灰度图像进行二值化处理，并利用细化算法提取结构光光条中心。

本发明对二值化处理后的激光光带灰度图像采用细化算法提取激光光带灰度图像中单像素宽度的骨架，得到结构光光条中心，这样可以提高本发明的镜面目标轮廓光学测量方法的测量精度和测量速度。同时，判断二值化处理后的激光光带灰度图像是否满足测量要求，不断改变镜面目标面形数据阈值进行微调。

S7.采用最短对角线的轮廓线拼接方法对步骤S4中的镜面目标面形数据和步骤S6中的结构光光条中心进行处理，重构镜面目标的三维表面轮廓，并利用VTK软件系统显示镜面目标三维轮廓图像。

本发明的镜面目标轮廓光学测量系统的计算机软件是在VC6.0中通过编程实现对图像和测量数据的读取、处理和保存。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种镜面目标轮廓光学测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对镜面目标进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的光带图像；

S2.关闭激光器，并利用计算机软件发出触发信号触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的干扰图像；

S3.对步骤S1中的光带图像和步骤S2中的干扰图像进行反相迭加相关运算，得到镜面目标表面的净化图像；

S4.设定镜面目标面形数据阈值，选取N幅镜面目标同一表面位置的净化图像进行时域内低通滤波处理，得到镜面目标面形数据和激光光带灰度图像，并判断N是否达到镜面目标面形数据阈值；

S5.若N没有达到镜面目标面形数据阈值，则返回步骤S1；若N达到镜面目标面形数据阈值，则对步骤S4中的激光光带灰度图像分别进行中值滤波和均值滤波处理；

S6.对步骤S5中处理后的激光光带灰度图像进行二值化处理，并利用细化算法提取结构光光条中心；

S7.采用最短对角线的轮廓线拼接方法对步骤S4中的镜面目标面形数据和步骤S6中的结构光光条中心进行处理，重构镜面目标的三维表面轮廓，并利用VTK软件系统显示镜面目标三维轮廓图像。

2.如权利要求1所述的镜面目标轮廓光学测量方法，其特征在于：所述光带图像包括镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号和镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。

3.如权利要求1所述的镜面目标轮廓光学测量方法，其特征在于：所述干扰图像包括镜面目标表面反射到CCD图像传感器的光噪声信号。

4.如权利要求1所述的镜面目标轮廓光学测量方法，其特征在于：所述净化图像包括镜面目标表面散射到CCD图像传感器的激光信号。

5.如权利要求1所述的镜面目标轮廓光学测量方法，其特征在于：所述反相迭加相关运算公式为：

G_n(i,j)＝G_L(i,j)cos(φ_L)+G_B(i,j)cos(φ_B)

其中，φ_B-φ_L＝π，G_L(i,j)为光带图像灰度，G_B(i,j)为干扰图像灰度，G_n(i,j)为净化图像灰度，φ_B为脉冲调制信号中干扰图像的调制相位，φ_L为脉冲调制信号中光带图像的调制相位。