CN104279981A - 一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及装置。显示屏显示由信号控制与处理器输入的测量用编码条纹图像，并将图像照射至待测镜面/类镜面物体表面；虚拟成像探测装置对待测镜面/类镜面物体聚焦成像探测，获取物面反射的条纹图像信号，并将采集的信号输入信号控制与处理器；信号控制与处理器同步控制显示屏和虚拟成像探测装置，并对采集的图像进行处理，完成对镜面/类镜面物体绝对面形的检测。测量装置能同时实现对待测镜面/类镜面物体两个或两个以上方向的虚拟成像，完成对其绝对面形的检测，特别适用于表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体，具有点匹配鲁棒性强、成像同步性好、易控制、成本低的优点。

Description

一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及其装置，属于先进制造与检测技术领域。

背景技术

在当今社会生产与生活的众多领域，如机械设计与制造、精密光学加工、文物保护等，经常需要对表面呈镜面或类镜面反射特征的物体进行快速、精确的三维形貌检测。传统而直接的检测工具为三坐标机，然而其接触式的工作方式存在划伤被测件的风险。虽然非接触式的三坐标机可避免上述问题，但由于点/线扫描的工作方式，使得整个测试过程较长，尤其是对于尺寸较大的待测物体，检测效能不高。激光干涉仪可实现纳米量级精度的面检测，但只适用于表面变化简单的物体，且对测试环境要求较高，不易实现在线检测。虽然扫描白光干涉仪可检测表面非连续的物体，但其横向和纵向的可测范围有限，且系统对外界振动较为敏感。

相比之下，基于计算几何学的立体视觉测量技术系统构成较为简单，仅利用两个或两个以上相机对待测物体成像，经控制处理器处理便可实现对物体三维的检测。虚拟双/多目成像技术的提出则进一步地减少了系统所需实体相机的数目，具有成像同步性好的优点。虽然立体视觉测量技术的检测精度不及干涉仪高，但其非相干成像测量的特点，使得其对温漂、振动等因素的干扰具有一定的抵御能力。然而由于该技术是一种被动成像测量方法，还需借助被测物体上一系列的特征点，匹配完成立体重构。因而，诸如外界光照不均匀、对比度不够、物体表面特征点不明显等问题会阻碍高精度的点匹配的实现，进而影响三维形貌检测的精度。

随着光电显示技术的发展，出现了另一种针对镜面/类镜面物体的三维面形检测技术——条纹反射术。这是一种全场、高灵敏度、非接触、非相干的光学测量技术，其系统构成也较为简单，一般由显示屏、面阵相机和计算机组成，而系统的动态测量范围可达数十毫米以上。该技术通过将编码的条纹图像显示于光电显示屏上，并照射至待测镜面/类镜面物体，对物体表面反射的条纹图像信号进行分析处理，基于计算几何学知识，实现对目标三维面形的检测。主动条纹编码技术的使用，增强了其计算所需的特征点匹配的鲁棒性，弱化了其对离焦成像的敏感度。在早期的测量装置中，单个显示屏和单个相机的使用简化了系统结构，却阻碍了绝对面形的获取，通常仅适用于表面变化连续、低复杂度的物体。虽然通过移动显示屏或增加实体相机数目可避免上述问题，但高精密位移设备或额外实体相机的引入使得系统的复杂度和成本增加、抗干扰性降低，不利于在线快速检测的实现。因此，基于条纹反射原理，提出一种检测鲁棒性强、系统结构简单、易控制，能够实现对镜面/类镜面物体，特别是表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置与方法，是该领域的研究热点与趋势。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种检测鲁棒性强、成像同步性好、系统结构简单、易控制，能够实现对镜面/类镜面物体，特别是表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体绝对面形进行测量的方法及其装置。

 为实现上述发明目的，所采用的技术方案是提供一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，包括显示屏、虚拟成像探测装置、信号控制与处理器；所述的信号控制与处理器将测量用编码条纹图像输入显示屏；显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置之间成三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，待测镜面/类镜面物体表面将图像反射后由虚拟成像探测装置接收，虚拟成像探测装置将采集的图像信号输入信号控制与处理器；所述的虚拟成像探测装置包括虚拟成像结构和面阵相机，虚拟成像结构将单个目标虚拟成像为两个或两个以上的目标像至面阵相机的靶面上接收。

 本发明所述的虚拟成像结构为平面棱镜或平面反射镜。所述的面阵相机为面阵的CCD或CMOS相机。所述的显示屏为液晶显示屏或空间光调制器。

本发明技术方案还包括一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，包括如下步骤：

1、将显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置按三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面；

2、信号控制与处理器按条纹编码方法编码生成条纹图像，输入显示屏，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，图像再经待测镜面/类镜面物体表面的反射，由虚拟成像探测装置采集获取目标变形条纹图像，输入到信号控制与处理器；

3、信号控制与处理器对得到的目标变形条纹图像进行解调处理，计算得到待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布；

4、由待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布，确定与虚拟成像探测装置所获取目标变形条纹图像上的各点所对应的显示屏上的编码点，经计算得到重构的待测物体的绝对面形分布。

本发明技术方案中，所述的条纹图像编码方法，为空域唯一性编码、时域唯一性编码或空/时域复合唯一性编码方法中的一种。所述的时域唯一性编码方法为基于变频相移正弦条纹的时域唯一性编码方法，在显示屏上依次显示水平和垂直两个方向上的变频相移正弦条纹图像。

本发明一个优选的具体的实施方案是：所述的条纹图像编码方法为采用变频相移正弦条纹的时域唯一性编码方法，条纹频率按幂函数序列变化，条纹图像为等步长相移，每步相移量为                                               ，总相移步数；所述的目标变形条纹图像的解调处理方法为采用最小二乘N步相移解调算法，计算得到截断相位；经时域相位展开，得到在最高频率下与待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：所提供的测量装置能够同时实现对待测镜面/类镜面物体两个或两个以上方向的虚拟成像，进而完成对其绝对面形的检测，特别适用于表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体，具有点匹配鲁棒性强、成像同步性好、易控制、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置中虚拟成像探测装置的结构示意图；

其中：1、显示屏；2、虚拟成像探测装置；3、信号控制与处理器；4、待测镜面/类镜面物体；21、虚拟单目相机；22、虚拟单目相机；23、单个面阵CCD相机探测器；24、平面双棱镜；31、计算机；32、数据传输控制连接线；33、数据传输控制连接线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述的一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及其装置作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本实施例提供的一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置的结构示意图。该测量装置由显示屏1、虚拟成像探测装置2、信号控制与处理器3构成，信号控制与处理器包括计算机31、数据传输控制连接线32和33。显示屏1、待测镜面/类镜面物体4与虚拟成像探测装置2之间成三角结构放置；显示屏1与虚拟成像探测装置2间所成夹角使得虚拟成像探测装置2能够通过待测镜面/类镜面物体4表面的反射观测到显示屏1；虚拟成像探测装置2聚焦于待测镜面/类镜面物体4表面；显示屏1、虚拟成像探测装置2分别由信号控制与处理器3中的数据传输控制连接线32和33连接控制。显示屏1采用液晶显示屏（LCD）或空间光调制器（SLM、LCOS），用于显示测量用编码条纹图像并将其照射至待测镜面/类镜面物体4表面；虚拟成像探测装置2可等效为两个或多个虚拟单目相机，在本实施例中等效为两个虚拟单目相机21和22，用于对待测镜面/类镜面物体4聚焦成像探测，并获取物面4反射的条纹图像信号；信号控制与处理器3利用基于Visual C++ 6.0编译器软件同步控制显示屏1和虚拟成像探测装置2，采集图像并对其进行处理，完成对镜面/类镜面物体4绝对面形的检测。

参见附图2，为本实施例提供的镜面/类镜面物体绝对面形测量装置中虚拟成像探测装置2的结构示意图，包括虚拟单目相机23和平面双棱镜24；虚拟成像结构和面阵相机两者匹配工作，将单个目标虚拟成像为两个或两个以上的（在本实施例中虚拟成像为两个）目标像至面阵相机靶面上接收，进而辅助完成对镜面/类镜面目标绝对面形的检测。虚拟成像结构可由平面棱镜或平面反射镜构成，在本实施例中通过平面双棱镜24实现两个不同角度的观测；面阵相机为面阵的CCD（电荷耦合元件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）相机，在本实施例中由单个面阵CCD相机探测器23实现。

采用附图1所示装置的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，包括以下步骤：

第一步，测量装置的构建、调整与连接：将显示屏1、待测镜面/类镜面物体4与虚拟成像探测装置2按三角结构放置，使得虚拟成像探测装置2聚焦于待测镜面/类镜面物体4表面，并能通过其反射观测到显示屏1，显示屏1和虚拟成像探测装置2分别由信号控制与处理器3中的数据传输控制连接线32和33连接。

第二步，条纹图像的编码、显示与获取：条纹图像由计算机31利用基于Visual C++ 6.0编译器软件编码生成，通过数据传输控制连接线32传输至显示屏1，再经待测镜面/类镜面物体4表面的反射，由虚拟成像探测装置2采集获取。

条纹图像的编码方法可采用空域唯一性编码、时域唯一性编码或空/时域复合唯一性编码策略。在本实施例中，采用基于变频相移正弦条纹的时域唯一性编码方法，在显示屏1上依次显示如下的水平和垂直两个方向上的条纹图像如式（1）所示：

  (1)

其中，表示显示屏图像水平和垂直方向上的坐标，A为背景强度，B为条纹调制度，和分别表示显示屏图像水平和垂直方向上的条纹频率（可按照自然数序列、幂函数序列、指数序列等变化），为相移量，N为总相移步数，。在本实施例中，和按幂函数序列变化（最高频率为和），总相移步数N≥3。

第三步，目标变形条纹图像的解调：根据第二步所用的条纹编码方法，采用相应的条纹解调技术基于Visual C++ 6.0编译器开发的软件处理由虚拟成像探测装置2采集得到的目标变形条纹图像，计算出与待测镜面/类镜面物体4表面面形相关的绝对相位分布。

 在本实施例中，由虚拟成像探测器2等效而成的两个虚拟单目相机21和22采集到的水平和垂直两个方向上的条纹图像分别如式（2）、（3）所示：

   （2）

  (3)

其中，和分别表示两个虚拟单目相机21和22采集到图像的水平和垂直方向的坐标，和分别表示相应的背景强度和条纹调制度，和分别表示图像水平和垂直方向上的条纹频率（按幂函数序列变化，最高频率分别为和 分别表示在相应频率下水平和垂直方向上的条纹相位分布。基于最小二乘N步相移解调算法，可计算得到式（4）所示：

    (4)

其中，对应的截断相位。由时域相位展开（Temporal Phase Unwrapping）技术，即可得到在频率下与待测镜面/类镜面物体4表面面形相关的绝对相位。同理，可计算得到其他相应的绝对相位和。

第四步，镜面/类镜面物体绝对面形的重构：由第三步计算得到的与待测镜面/类镜面物体4表面面形相关的绝对相位分布，确定出与虚拟成像探测装置2所获图像上点对应的显示屏上的编码点；在光线反射定律的约束下，结合通过标定得到的系统结构参数，完成虚拟成像探测装置2等效的两个或多个虚拟单目相机所获图像上各点间的匹配过程；进而由空间计算几何学知识重构出待测物体的绝对面形分布。

如图1所示，在本实施例中，对于待测镜面/类镜面物体4表面上的某一点s，其在虚拟成像探测装置2所等效的虚拟单目相机21靶面上的成像点为。由第三步得到的点的绝对相位分布，根据绝对相位一致的约束，确定出显示屏1上的对应点如式（5）所示：

             (5)

其中，和分别表示显示屏1上水平和垂直方向的条纹在频率和下的条纹间距。同理，点s在虚拟成像探测器2所等效的虚拟单目相机22靶面上的成像点与其在显示屏1上的对应点也满足绝对相位的一致；结合通过标定得到的系统结构参数，光线对同时满足如式（6）所示的光线反射定律的约束：

             (6)

其中，表示被测点s处的法向量，为取模，分别为光线、和的矢量。基于式(6)便可完成点和的匹配过程，进而由空间计算几何学知识得到待测点s的绝对空间位置，即完成对待测镜面/类镜面物体4的绝对面形测量。

Claims (8)

1.一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，其特征在于：它包括显示屏、虚拟成像探测装置、信号控制与处理器；所述的信号控制与处理器将测量用编码条纹图像输入显示屏；显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置之间成三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，待测镜面/类镜面物体表面将图像反射后由虚拟成像探测装置接收，虚拟成像探测装置将采集的图像信号输入信号控制与处理器；所述的虚拟成像探测装置包括虚拟成像结构和面阵相机，虚拟成像结构将单个目标虚拟成像为两个或两个以上的目标像至面阵相机的靶面上接收。

2.根据权利要求1所述的一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，其特征在于：所述的虚拟成像结构为平面棱镜或平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，其特征在于：所述的面阵相机为面阵的CCD或CMOS相机。

4.根据权利要求1所述的一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，其特征在于：所述的显示屏为液晶显示屏或空间光调制器。

5.一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置按三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面； 

（2）信号控制与处理器按条纹编码方法编码生成条纹图像，输入显示屏，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，图像再经待测镜面/类镜面物体表面的反射，由虚拟成像探测装置采集获取目标变形条纹图像，输入到信号控制与处理器；

（3）信号控制与处理器对得到的目标变形条纹图像进行解调处理，计算得到待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布；

（4）由待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布，确定与虚拟成像探测装置所获取目标变形条纹图像上的各点所对应的显示屏上的编码点，经计算得到重构的待测物体的绝对面形分布。

6.根据权利要求5所述的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，其特征在于：所述的条纹图像编码方法，采用空域唯一性编码、时域唯一性编码或空/时域复合唯一性编码方法中的一种。

7.根据权利要求6所述的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，其特征在于：所述的时域唯一性编码方法为基于变频相移正弦条纹的时域唯一性编码方法，在显示屏上依次显示水平和垂直两个方向上的变频相移正弦条纹图像。

8.根据权利要求6所述的一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，其特征在于：所述的条纹图像编码方法为采用变频相移正弦条纹的时域唯一性编码方法，条纹频率按幂函数序列变化，条纹图像为等步长相移，每步相移量为                                                ，总相移步数；所述的目标变形条纹图像的解调处理方法为采用最小二乘N步相移解调算法，计算得到截断相位；经时域相位展开，得到在最高频率下与待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布。