CN105157613A

CN105157613A - 利用彩色结构光的三维快速测量方法

Info

Publication number: CN105157613A
Application number: CN201510295184.3A
Authority: CN
Inventors: 罗兵; 郭桂平; 韦雄纤
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2015-12-16

Abstract

激光三角法三维测量速度慢、精度低，本发明利用多条彩色光线投影代替线激光，测量密度加大，精度、速度提高。整个系统结构类似激光三角法，不同的是用投影仪代替激光发生器，投影出来的是彩色结构光。投影的彩色结构光是由七种颜色循环重复构成的平行光线，光线宽一个像素，七种颜色由RGB彩色系统中的RGB三基色按设计组成，使两个相邻的线条颜色在RGB三个颜色成分上有两项有很大差异。根据投影下采集的俯视图像，可计算出相邻位置的高度差，如附图所示。本方法测量密度高，从而提高了整个区域的三维测量精度，同时测量计算复杂度低，测量速度快。

Description

利用彩色结构光的三维快速测量方法

技术领域

本方法主要应用于工业自动化生产的检测、三维测量，具体如电子制造业的电路板表面贴片安装生产线的三维自动检测。

背景技术

在很多工业自动化检测中，需要测量获取对象的三维信息数据。传统的激光三角法三维测量精度较低，速度慢，每次只能测量投影线所在的狭长小区域，完成整个区域测量需要多次投影和处理计算，测量速度慢；或者以少量投影线区域的高度来近似代替整个区域的高度，精度较低。另外一种正弦光栅投影的相位测量轮廓术则需要移动投影光栅相位3次或4次，每次分别采集图像，然后计算得到图像上各点额相位，并进行相位展开、相位到高度的转换等计算，最后来得到图像上各像素点的高度。该方法在精度、速度上都比激光三角法有了很大改进，但是投影装置成本高，需要多次采集图像并进行复杂计算仍然影响其处理速度。本专利设计的方法，利用彩色结构光投影，提高了一次图像中的测量密度，装置成本低；不需进行复杂的图像采集和计算，测量速度大大加快，可用于自动化生产线的实时检测。

发明内容

激光三角法通过以大约45度的投影角度投影一个线激光，俯视采集图像，从图像上的光线被被投影面的高度调制情况可以测量被投影到的线状区域的三维相对高度。但其测量区域太小，测量全区域需要多次测量。而多条光线被调制后混乱无法区分。多次重复测量速度慢，简单以该小区域近似代替全部区域则精度低。

与激光三角法三维测量类似，用投影仪将彩色结构光投影到被测量对象，相机以与投影方向成一定的角度采集图像，根据图像进行处理，然后可以计算得到被测量对象的三维高度。整个系统的结构如图1、彩色结构光投影三维测量系统示意图。

彩色结构光为多条一个像素宽度的彩色平行线，如图2、彩色结构光示意图。彩色由绘图中RGB彩色系统三基色组成的七种彩色，七种彩色颜色顺序及其三基色成分依次为红色r(R：255、G：0、B：0)、绿色g(R：0、G：255、B：0)、白色w(R：255、G：255、B：255)、蓝色b(R：0、G：0、B：255)、黄色y(R：255、G：255、B：0)、梅红m(R：255、G：0、B：255)、青c(R：0、G：255、B：255)、红色r、……(重复循环)。每种彩色后的括号中为构成该种彩色的三基色成分的多少。开始颜色可以为这七种颜色中的任意一种，顺序可以完全反过来。这样可保证任意两个相邻的颜色在RGB三个颜色成分上有两项有很大差异，这样便于获取的彩色图像更容易区分相邻的颜色线条。

彩色线条间均匀间距，间距尽可能小，但要保证从红色到红色的一个周期间距投影后到水平被测面上产生的两个线条间距要大于被测对象的最大高度差产生的调制偏移的2倍。

以一定角度。投影光线与相机采集光心中心线的夹角α应大于0度小于90度，一般取30～35度。投影光线与水平面的夹角θ的度数为为90-α。

投影光线在被测量对象表面因其高度差异而会被调制，形成俯视图上因高度不同而形成的俯视图上的光线水平偏移，如图1所示。相对水平偏移量ΔL与相对高度差ΔH之间的关系为：ΔH＝ΔL×tanθ。该原理关系如图3所示。在图像上光线位置到投影仪垂直投影位置的水平距离L与该位置到投影仪的绝对垂直高度差H间的关系为：H＝L×tanθ。

多条彩色光线从投影仪投射出来存在发散，并不是平行光线，但是每根彩色线的投影角度均是可以在测量前测量确定的，如图4所示。

图像上看到的相邻彩色投影光线所在位置间的相对高度差为：ΔH＝|L1×tanθ1－L2×tanθ2|。其中L1为某种彩色光线在图像上的位置到投影仪垂直投影位置间的距离，L2为其相邻的另外一种颜色光线在图像上的位置到投影仪垂直投影位置间的距离，θ1为该种彩色投影线与水平面的夹角，θ2为该相邻彩色线的投影夹角。如图4所示。

本方法通过采集一幅彩色图像，就可以计算得到更广泛区域的三维高度，提高了测量密度，从而提高了整个区域的三维测量精度。由于投影光线的角度是固定的，在测量前即可确定，应此可事先计算好tanθ1等各角度的正切函数值。实际测量中，只需通过图像处理确定每条彩色线的中心位置，然后即可通过两次乘法、一次减法计算即可确定两个像素间的相对高度。测量计算复杂度低。

附图说明：图1是本发明的彩色结构光投影三维测量系统示意图；图2是本发明中的彩色投影结构光；图3是投影光被投影面高度调制示意图；图4是本发明中投影的彩色结构光被调制图像与相对高度间的关系示意图。

Claims

1.用于三维测量的彩色投影结构光图案，包括彩色顺序、彩色平行线结构，具体内容为：彩色结构光为多条一个像素或几个像素宽度的彩色平行线，彩色由绘图RGB彩色系统中三基色组成的七种彩色，七种彩色颜色顺序及其三基色成分依次为红色r（R：255、G：0、B：0）、绿色g（R：0、G：255、B：0）、白色w（R：255、G：255、B：255）、蓝色b（R：0、G：0、B：255）、黄色y（R：255、G：255、B：0）、梅红m（R：255、G：0、B：255）、青c（R：0、G：255、B：255）、红色r、……（重复循环），每种彩色后的括号中为构成该种彩色的三基色成分的多少，开始颜色可以为这七种颜色中的任意一种，顺序可以完全反过来，这样可保证彩色顺序中任意两个相邻的颜色在RGB三个颜色成分上有两项有很大差异，这样便于获取的彩色图像更容易区分相邻的颜色线条。

2.利用彩色结构光投影，在与投影成一定夹角的方向用相机采集图像，根据图像上的彩色线条被调制的距离得到投影对象处的三维高度的方法，结果光为多彩色线条，夹角为5度到85度之间。

3.图像上看到的相邻彩色投影光线所在位置间的相对高度差为：ΔH=|L1×tanθ1－L2×tanθ2|，其中L1为某种彩色光线在图像上的位置到投影仪垂直投影位置间的距离，L2为其相邻的另外一种颜色光线在图像上的位置到投影仪垂直投影位置间的距离，θ1为该种彩色投影线与水平面的夹角，θ2为该相邻彩色线的投影夹角。