CN105091784A - 用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物体表面三维测量技术领域，尤其涉及一种用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统。本发明通过平面显示屏显示结构条纹图案，通过被测物的表面反射特性实现对被测物的三维测量，不需要向被测物投射激光，也不需要接触被测物或对被测物喷粉，解决了基于激光投影的三维测量因镜面被测物过曝及透明物体透射导致的取像系统无法获取有效条纹信息、接触式测量对被测物造成损伤以及喷粉测量对被测物造成损伤及因对被测物表面三维结构造成改变而导致测量精度大幅下降的缺陷。同时，由于代替了昂贵的投影光机，也降低了系统成本。

Description

用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统

技术领域

本发明涉及物体表面三维测量技术领域，尤其涉及一种用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统。

背景技术

基于结构光的三维扫描系统作为一种非接触式的测量工具已经被应用于大量实际应用中，如逆向工程的三维重构、考古文物的数字化及精密零部件的缺陷检测等等。这种基于结构光的三维扫描系统一般由一个或多个投射结构光的投影系统和一个或多个取像系统构成。投出的结构光条纹在被测物体表面发生形变，由取像系统抓取形变条纹图之后计算出被测物的空间高度。

然而这种方法在测量镜面及透明物体表面的实际应用中遇到了困难。镜面物体过曝导致条纹图无法抓取，取像系统常常只能抓取到投影光机的亮斑；透明物体则将光机发出的条纹整个透射过去，取像系统往往什么条纹信息也抓取不到。

对于镜面物体和透明物体，现有的三维测量解决方案常常是接触式探针测量，或者喷粉后消除其表面的镜面或透明特性。前种方法极易对被测物体造成损伤，而后种方法除去对被测物体造成损伤外更有可能因为粉末的存在掩盖原本的结构或者缺陷造成测量准确度的大幅下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统。本发明是这样实现的：

一种用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，包括图像分析及控制系统、结构条纹图案显示设备及相机；所述结构条纹图案显示设备具有一平面显示屏；

所述图像分析及控制系统与所述结构条纹图案显示设备连接，用于通过所述结构条纹图案显示设备控制所述平面显示屏显示结构条纹图案；

被测物的表面为镜面或透明表面；所述被测物置于基准平面上；

所述相机被配置为其光轴垂直于当所述基准平面为镜面时所述条纹图案在所述基准平面另一侧的虚像；

所述图像分析及控制系统还用于通过所述相机采集所述结构条纹图案经所述被测物表面反射后的变形结构条纹图案，并对该变形结构条纹图案进行分析以获取所述被测物表面的深度信息。

进一步地，所述平面显示屏为LCD屏或LED屏。

进一步地，设所述平面显示屏的成像面与所述基准平面的夹角为α，空气折射率为n₁，被测物折射率为n₂，则：

α≤θ。

进一步地，所述结构条纹图案为二进制码、灰度模式码、正弦条纹中的任意一种。

进一步地，所述结构条纹图案显示设备为手机；所述手机通过其屏幕显示所述结构条纹图案。

进一步地，所述图像分析及控制系统还用于当所述基准平面为镜面时，在对所述被测物进行三维测量前，通过所述相机采集所述结构条纹图案经所述基准平面反射后的结构条纹图案，并根据采集到的结构条纹图案进行系统校正，使采集到的结构条纹图案与所述平面显示屏显示的结构条纹图案一致。

与现有技术相比，本发明通过平面显示屏显示结构条纹图案，通过被测物的表面反射特性实现对被测物的三维测量，不需要向被测物投射激光，也不需要接触被测物或对被测物喷粉，解决了基于激光投影的三维测量因镜面被测物过曝及透明物体透射导致的取像系统无法获取有效条纹信息、接触式测量对被测物造成损伤以及喷粉测量对被测物造成损伤及因对被测物表面三维结构造成改变而导致测量精度大幅下降的缺陷。同时，由于代替了昂贵的投影光机，也降低了系统成本。

附图说明

图1：本发明三维成像系统组成结构示意图；

图2：本发明三维成像系统工作原理示意图；

图3：本发明三维成像系统校正后，在未放置被测物的情况下相机采集到的结构条纹图案；

图4：本发明三维成像系统校正后，放入透明玻璃杯时，相机采集到的变形结构条纹图案；

图5：本发明三维成像系统测量得出的上述透明玻璃杯的三维成像示意图。

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。

本发明用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，包括图像分析及控制系统、结构条纹图案显示设备及相机1。结构条纹图案显示设备具有一平面显示屏2。

其中，图像分析及控制系统与结构条纹图案显示设备连接，用于通过结构条纹图案显示设备控制平面显示屏2显示结构条纹图案。手机可作为结构条纹图案显示设备，其通过手机屏幕显示结构条纹图案。当然也可采用其他类型的结构条纹图案显示设备，其平面显示屏2可采用LED屏或LCD屏。结构条纹图案可采用二进制码、灰度模式码、正弦条纹中的任意一种。

被测物的表面为镜面或透明表面，被测物置于基准平面4上。相机1被配置为其光轴5垂直于当基准平面4为镜面时条纹图案在基准平面4另一侧的虚像3。图像分析及控制系统还用于通过相机1采集结构条纹图案经被测物表面反射后的变形结构条纹图案，并对该变形结构条纹图案进行分析以获取被测物表面的深度信息。

图1为本发明三维成像系统组成结构示意图，如果基准平面4为一镜面或透明表面，则在基准平面4的另一侧将会产生结构条纹图案的虚像3，该虚像3与结构条纹图案相对于基准平面4对称。相机1的光轴5应垂直于该虚像3。设平面显示屏2的成像面与基准平面4的夹角为α，空气折射率为n₁，被测物折射率为n₂，对于透明的被测物，其材质折射率n₂较小，根据折射定律，为使光线在透明表面尽可能反射进入相机1而非大部分透射浪费，应使夹角α足够小，即α≤θ。这样可以保证条纹图的反射尽量达到全反射的效果，增加相机1进光量，同时也减少了折射后的光线对相机1的干扰。使用该系统对被测物进行三维测量时，将被测物置于基准平面4上，此时，被测物表面各点相对于基准平面4将产生相应高度。图2所示为被测物表面某处相对于基准平面4产生一高度h，如果未放置该被测物，则相机1通过一光路采集到P_a点的结构条纹图案的虚像3，当放置被测物时，相机1通过同一光路采集到的则变为了P_b点的结构条纹图案的虚像3。P_a点到P_b点的位移Δx可通过结构条纹图案的扭曲变动计算得出，如何通过条纹图的扭曲变动计算得出该位移Δx可参考三维测量中的三角法测量原理。得出Δx后，根据sinα＝Δx/2h可得出h＝Δx/2sinα，由于α为已知量，则h即可求得。

以下为本发明采用正弦条纹作为结构光条纹图案，通过四步相位移动法测量玻璃杯的三维信息的试验。利用分辨率为1080P的5英寸手机作为结构条纹图案显示设备。在对被测物进行三维测量前，使用一块平整玻璃作为基准平面4，通过相机1采集结构条纹图案经基准平面4反射后的结构条纹图案，并根据采集到的结构条纹图案进行系统校正，使采集到的结构条纹图案与平面显示屏2显示的结构条纹图案一致。系统校正完成后得到的正弦条纹图案如图3所示。将玻璃杯放置在基准平面4上，手机与相机1按图1或2所示设置，手机屏幕打出正弦条纹于玻璃杯侧面中的一块区域，相机1采集结构条纹图案的虚像3，该虚像3因为玻璃杯的透明表面不平整而扭曲产生变形的正弦条纹图案(如图4所示)。我们通过四步相移法计算得出玻璃杯侧面该区域的三维信息，结果如图5所示，上述结果证明本发明的设计是可行的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，包括图像分析及控制系统、结构条纹图案显示设备及相机；所述结构条纹图案显示设备具有一平面显示屏；

所述图像分析及控制系统与所述结构条纹图案显示设备连接，用于通过所述结构条纹图案显示设备控制所述平面显示屏显示结构条纹图案；

被测物的表面为镜面或透明表面；所述被测物置于基准平面上；

所述相机被配置为其光轴垂直于当所述基准平面为镜面时所述条纹图案在所述基准平面另一侧的虚像；

所述图像分析及控制系统还用于通过所述相机采集所述结构条纹图案经所述被测物表面反射后的变形结构条纹图案，并对该变形结构条纹图案进行分析以获取所述被测物表面的深度信息。

2.如权利要求1所述的用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，所述平面显示屏为LCD屏或LED屏。

3.如权利要求1所述的用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，设所述平面显示屏的成像面与所述基准平面的夹角为α，空气折射率为n₁，被测物折射率为n₂，则：

α≤θ。

4.如权利要求1所述的用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，所述结构条纹图案为二进制码、灰度模式码、正弦条纹中的任意一种。

5.如权利要求1所述的用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，所述结构条纹图案显示设备为手机；所述手机通过其屏幕显示所述结构条纹图案。

6.如权利要求1所述的用于表面为镜面或透明表面的被测物的三维成像系统，其特征在于，所述图像分析及控制系统还用于当所述基准平面为镜面时，在对所述被测物进行三维测量前，通过所述相机采集所述结构条纹图案经所述基准平面反射后的结构条纹图案，并根据采集到的结构条纹图案进行系统校正，使采集到的结构条纹图案与所述平面显示屏显示的结构条纹图案一致。