CN104568963A

CN104568963A - 一种基于rgb结构光的在线式三维检测装置

Info

Publication number: CN104568963A
Application number: CN201410787831.8A
Authority: CN
Inventors: 杜娟; 洪大江; 胡跃明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明公开了一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置，包括待测物体，包括RGB结构光源，拍摄模块及图像处理模块,所述RGB结构光源包括多个LED光源模块，所述LED光源模块依次包括LED芯片阵列、光路准直部分、颜色滤光片、衍射光栅及调焦透镜，所述拍摄模块与图像处理模块连接。本发明减少图像采集过程中由于投影与摄像之间不同步引起的一系列采样问题。

Description

一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置

技术领域

本发明涉及图像识别和缺陷检测领域，具体涉及一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置。

背景技术

目前工业应用中的检测大都是采用二维检测，采用的光源大多为点激光或者线激光光源。三维检测现在也开始进入初步应用阶段，在光源上大都采用高精度投影仪投射黑白光栅或者彩色光栅实现，其成本较高，而且无法解决投影仪输出与拍摄模块的帧同步问题，造成取样效果不佳。此外，目前大多数相关系统在三维彩色图像的重构，以及图像的边缘检测，特征匹配算法上，大部分算法是按RGB三种颜色单独处理，对图像颜色信息之间的关联进行人为剥离，影响了检测的速度及可靠性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置，包括待测物体，包括RGB结构光源，拍摄模块及图像处理模块,所述RGB结构光源包括多个LED光源模块，所述LED光源模块依次包括LED芯片阵列、光路准直部分、颜色滤光片、衍射光栅及调焦透镜，产生高质量的、稳定的彩色光栅条纹，所述拍摄模块与图像处理模块连接，拍摄模块用于采样目标对象的高分辨率图像，图像处理模块采用基于四元数的矢量匹配算法，为采用单CCD和RGB彩色光源的硬件环境提供新型的3D视觉检测技术。

所述LED芯片阵列包括多个LED芯片光源及聚光碗，所述LED芯片光源发出的光束通过聚光碗转换平行光束。

还包括反射镜组合。

还包括工作平台，所述待测物体放在平台上。

所述LED芯片光源是红光LED、绿光LED或蓝光LED中的一种。

所述多个LED光源模块排列方式为平面或弧度排列。

所述多个RGB结构光源包括至少两种具有不同色光的LED光源模块，所述拍摄模块包括一个以上个摄镜头及传感器，所述图像处理模块包括RGB信号采集器。

所述衍射光栅为透射光栅。

本发明的有益效果：本发明所采用的装置，在降低成本的同时，还可以保证编码光栅的投影质量，减少图像采集过程中由于投影与摄像之间不同步引起的一系列采样问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明LED光源模块按照一定弧度排列的结构示意图；

图3是本发明LED阵列的结构示意图；

图4是本发明三维高度的计算示意图；

图5是本发明多个LED光源按照一字型排列的结构示意图。

图中示出：

1-传感器，2-摄像头，3-RGB结构光源，4-LED芯片阵列，5-光路准直部分，6-滤光片，7-衍射光栅，8-调焦透镜，9-待测物体，10-工作平台，11-光路，12-反射镜组合，13-聚光碗。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置，包括待测物体、工作平台、RGB结构光源3、拍摄模块及图像处理模块，所述拍摄模块与图像处理模块连接，所述待测物体9放在工作平台10上，所述RGB结构光源3包括多个LED光源模块，所述每个LED光源模块依次包括LED芯片阵列4、光路准直部分5、滤光片6、衍射光栅7及调焦透镜8，所述LED芯片阵列4包括多个LED芯片光源及聚光碗13，所述每一个LED芯片阵列中的光源都是相同颜色光源，所述LED芯片光源是红光LED、绿光LED或蓝光LED中的一种，所述RGB结构光源3包括红光LED光源模块、绿光LED光源模块及蓝光LED光源模块中的任意两种以上组合。

所述RGB结构光源以投影仪方式布置，具体是将不同色光的LED光源模块封装在一起，通过一个或多个投影镜头产生固定间隔的彩色条纹或二维彩色方格阵列光路11投射到待测物体上。

如图2、图5所示，多个LED光源模块可以水平一字型也可以成一定弧度排开，如图5所示，当水平一字型排开时，再通过反射镜组合12，将光栅条纹投射到工作平台上，无论多个LED光源模块如何排列，都要保证光栅条纹投射到工作平台。

每个LED光源模块依次包括LED芯片阵列、光路准直部分、颜色滤光片、衍射光栅及调焦透镜，每个LED芯片阵列内的LED光源排列由图3所示，而实际中采用多少排，每排多少个，可由实际需要及投射效果进行增删。

所述光路准直部分由聚光碗或凸透镜和遮光部分构成。

对于每一个LED光源模块，首先，由LED光源产生高强度、稳定的色光，如红色、绿色和蓝色中的一种，通过聚光碗和光路准直部分5内的透镜将这些点光源转换成近似的平行光线，再通过光路准直部分5内遮光罩对光路进行严格限制，再通过与色光相同的颜色滤光片滤光，最后通过衍射光栅投射到工作平台上，由于工作平台的位置不一定刚好满足最佳的干涉条纹成像距离，还有不同色光的波长不一样，为了在参考平面获得各种色光等间距清晰的排列条纹，必须通过调焦透镜8对其做最后修正。

在调节干涉条纹最后的校正阶段，可以在工作平台10上放置一张带刻度的小方格的定位图。首先，先调节处于垂直位置的绿光干涉条纹，让其清晰的投射到定位图上，通过放大镜、或显微镜观察条纹的间距，并调节调焦透镜8，使得条纹的间距是自身条纹宽度的三倍以上。定住绿光条纹，再调节红光干涉条纹。通过粗调红光分模块的倾斜角度和调焦透镜8，可以在参考平面的定位图上获得初步的红光干涉条纹，再微调倾斜角度和调焦透镜，就可以在绿光条纹的左边，均匀的插入红光干三涉条纹。近似的，可以获得蓝光分模块的蓝光干涉条纹，并将蓝光干涉条纹清晰、均匀的插入到绿光干涉条纹的右边。最后，再通过微调绿光的调焦透镜，就可以使最后的三色光干涉条纹均匀、清晰的分布在参考平面上。

如图2所示为RGB结构光源包括三种色光的LED光源模块以一定角度排列，投射出的光栅条纹同时聚集在同一工作平台上。

所述拍摄模块由摄像头2及对应的传感器1构成，获取在待测物体上产生变形的彩色条纹，所述摄像镜头可以是一个或多个，在拍摄动态图像时，具有连拍功能，用于得到不同视角的目标物体图像，所述图像处理模块主要由计算机构成，计算机对上传的数据进行三维重构处理，并对重构后的三维彩色图像进行四元数矢量建模，运用相关的四元数数学工具，对图像进行滤波、旋转边缘检测、图像分割、特征点提取及特诊点匹配算法，从而检测出目标对象存在的缺陷。

如图4所示，在参考平面上的目标物体，同一点在接收不同色光的照射后，会产生不同的条纹及不同的变形，通过测量、计算，就可以得到物体在该点的高度。对应于红光，其计算的方法，是获得目标物体的被测点C的坐标，还有经过被测点的未发生形变的红光条纹的位于参考平面上的对应的最低点Ar，先计算得到Ar到C的距离再测量摄像机镜头中心点到红光分模块投射中心点的距离dr，摄像头到参考平面的垂直距离L，就可以通过公式计算出被测物体在该点的高度h。在实际测量中，有L>>h，所以可以由以下公式，推算出被测物体在该点上的高度h，定义如下：

h = \frac{L}{d_{r}} \overset{&OverBar;}{A_{r} C}

同理，可以获得绿光条纹、蓝光条纹照射点的高度计算公式为：

h = \frac{L}{d_{g}} \overset{&OverBar;}{A_{g} C}

h = \frac{L}{d_{b}} \overset{&OverBar;}{A_{b} C}

由于每个像素点的颜色都用四元数矢量描述，所以，很容易就可以确定具体计算中摄像机模块与色光分模块中心点的距离该采用哪个数值。

为了获得被测物体精确的三维彩色图像，并识别出相应的特征和缺陷，还需要对图像进行相关的预处理，以提高计算的精度和速度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于RGB结构光的在线式三维检测装置，包括待测物体，其特征在于，包括RGB结构光源，拍摄模块及图像处理模块,所述RGB结构光源包括多个LED光源模块，所述LED光源模块依次包括LED芯片阵列、光路准直部分、颜色滤光片、衍射光栅及调焦透镜，所述拍摄模块与图像处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述LED芯片阵列包括多个LED芯片光源及聚光碗，所述LED芯片光源发出的光束通过聚光碗转换平行光束。

3.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，还包括反射镜组合。

4.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，还包括工作平台，所述待测物体放在工作平台上。

5.根据权利要求2所述的三维检测装置，其特征在于，所述LED芯片光源是红光LED、绿光LED或蓝光LED中的一种。

6.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述多个LED光源模块排列方式为一字型或弧度排列。

7.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述RGB结构光源包括至少两种具有不同色光的LED光源模块，所述拍摄模块包括一个以上个摄镜头及传感器，所述图像处理模块包括RGB信号采集器。

8.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述衍射光栅为透射光栅。