CN105841620A - 基于投影云纹方法的离面位移测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于投影云纹方法的离面位移测量系统及方法，通过光源发出的光通过投影光栅和镜头投影到被测物体表面形成栅线，栅线受表面离面位移调制产生畸变，畸变的栅线通过成像镜头成像到参考光栅上，形成云纹，由CCD相机记录，通过分析云纹条纹图像的位相变化计算离面位移。本发明可以根据测试需求灵活调整系统的测量面积、分辨率、测量范围，即使进行大面积物体的测试时也具有很高的分辨率与精度。而且本发明测量系统的自动化程度高，采集的图像经由计算机后期处理，可实现快速批量化测量。此外，整套系统抗外界环境干扰强，适于进行现场测试。

Description

基于投影云纹方法的离面位移测量系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量领域的技术，具体是一种基于投影云纹方法的离面位移测量系统及方法。

背景技术

目前能够实现全场离面位移测量的主要是各种光学测试技术，其中：比较成熟的几种方法有电子散斑干涉技术，摄影测量技术，数字图像相关技术，投影条纹方法等。这些方法各有其特定的应用范围和环境，测量范围、测量面积和分辨率也各不相同。例如，电子散斑干涉技术在理论上分辨率可以达到亚波长量级，但是其测量范围很难达到毫米以上，主要原因为毫米量级的离面位移会引起散斑场退相关甚至完全不相关。此外，用电子散斑干涉方法测量较大面积物体时，需要价格昂贵的大功率激光器，成本很高。摄影测量技术可以应用于大结构的变形测量与监测，例如建筑物、道路勘察、地质勘探等。其缺点主要在于测量时需在被测物表面预先粘贴靶标，操作繁琐且耗时长，同时在测量大面积物体时其分辨率及精度受测量面积、靶标设置密度、拍摄图片数量、算法等多种因素的影响而显得较低。基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法受相机分辨率限制，其三维重建的分辨率只能够达到被测物体尺寸的1/50000。投影条纹方法因光路简单及抗振性较好被广泛应用于多种现场测量，测量面积可以简单地通过改变测量距离进行调整，通常情况下可以达到1/10条纹节距的测量分辨率，但由于投影设备的非线性，用相移技术得到的条纹位相图往往存在一定的纹波，降低其分辨率。

上述的各种测试技术，包括电子散斑干涉技术，摄影测量技术，数字图像相关技术，投影条纹方法在测量面积与测量分辨率之间都存在不可调和的矛盾，无法实现大面积、大范围、高分辨率的离面位移测量。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102768020A公开(公告)日2012.11.07，公开了一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统及其方法。该测量系统包括工作平台、电视显微镜镜头、透镜组和微型投影仪，电视显微镜镜头垂直于工作台朝下摆放，微型投影仪的镜头向下与电视显微镜镜头摆放在同一平面，透镜组放置在微型投影仪的镜头前，用来聚焦微型投影仪投出的正弦条纹图像，待测物体放置于工作平台上；再对测量系统进行标定，获得待测物体表面的最终相位，可获得待测物体的表面高度。但该技术无法根据测试需求改变系统的测量面积，只能实现微小物体的测量；由于采用投影仪进行正弦条纹投影，投影仪的非线性使得投出的条纹并不满足正弦规律，在此基础上利用相移算法计算相位会产生很大误差；相同测试环境下投影条纹方法的测量分辨率远低于投影云纹方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于投影云纹方法的离面位移测量系统及方法，在投影条纹方法的基础上，引入几何云纹技术，将被测物体表面的栅线成像到另一参考光栅上形成云纹，CCD相机对参考光栅精确成像，采集到的是云纹条纹图像，而不是栅线，从而实现对变形的无失真放大，降低了对硬件的要求，也极大地提高系统的分辨率，解决测量面积与测量分辨率之间的矛盾。同时系统的测量面积与测量分辨率可以简单地通过改变镜头焦距、投影距离、光栅节距来调整。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于投影云纹方法的离面位移测量系统，包括：栅线投影系统、图像采集系统和与之相连的图像处理系统，其中：栅线投影系统将栅线光投射至物体表面，经由图像采集系统采集受物体表面离面位移及通过参考光栅调制后产生的若干个畸变图像，即云纹条纹图像，通过图像处理系统以相移算法计算得到变形前后对应的全场的位相，从而得到全场离面位移。

所述的栅线投影系统包括：依次设置的光源、投影光栅和投影镜头。

所述的图像采集系统包括：依次设置的成像镜头、带有参考光栅的相移装置以及CCD相机。

本发明涉及一种基于上述系统的离面位移测量方法，包括如下步骤：

1)根据测试需要，选择合适节距的投影光栅，将栅线投影系统置于测量距离处；

2)调节栅线投影系统中投影镜头的焦距，在被测物体表面形成清晰的栅线；

3)调节图像采集系统中成像镜头的焦距，将被测物体表面的栅线精确成像到图像采集系统中的参考光栅上从而形成云纹，并利用CCD相机拍摄记录云纹图像；

4)利用相移装置驱动参考光栅沿其主方向平动，实现云纹图像的相移，并记录多幅相移条纹图，运用相移算法计算得到变形前全场的位相；

所述的相移算法是指：由于云纹条纹图像满足空间正弦分布规律，对应所述的离面位移的信息蕴含在条纹的位相中，二者的具体关系满足下述公式：其中：为图像上第i行j列的像素点的条纹位相值，a(i,j)为该像素点处的灵敏度系数，h(i,j)为待求的离面位移。

所述的灵敏度系数a(i,j)由系统参数及测点位置决定，具体为：

其中：f₁为投影镜头的焦距，a_i(i＝1…9)表征的是投影坐标系到参考平面坐标系的变换关系，p为光栅节距，(x_B,y_B)为测点在参考平面坐标系下的坐标，(x_P,y_P,z_P)为投影坐标系原点在参考平面坐标系下的坐标。

5)变形后，重复步骤4)所述的相移操作，得到变形后对应的全场的位相；

6)将步骤4)和5)所获得的变形前后全场位相相减，得到物体表面离面位移引起的条纹位相变化，从而根据得到全场离面位移，其中：为第i行j列的像素点的条纹位相变化值。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以根据测试需求灵活调整系统的测量面积、分辨率、测量范围，即使进行大面积物体的测试时也具有很高的分辨率与精度；本发明测量系统的自动化程度高，采集的图像经由计算机后期处理，可实现快速批量化测量；本发明对硬件要求不高，价格低廉，且工作时能耗低；系统各元件整合在壳体内，抗外界环境干扰能力强，便于携带，适合进行现场测试。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：光源1、投影光栅2、投影镜头3、壳体4、CCD相机5、参考光栅6、相移装置7、成像镜头8、壳体9、图像处理控制系统10；

图2为云纹条纹图像；

图3为灵敏度系数标定结果；

图4为重建的物体三维形貌；

图5为系统的测量误差示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：光源1、两个光栅2和6、两个变焦镜头3和8、CCD相机5、相移装置7、壳体4和9、图像处理控制系统10，其中：光源1、投影光栅2、投影镜头3安装在壳体4内，构成投影系统；CCD相机5、参考光栅6、相移装置7、成像镜头8安装在壳体9内，构成图像采集系统；图像处理控制系统10分别与相移装置7与CCD相机5相连，以实现移动参考光栅6产生相移的同时采集对应的云纹条纹图像。

所述的光源1，采用卤素灯白光光源，功率：150W。

所述的光栅2和6，为机刻透射光栅，节距根据测试需求的面积、分辨率等确定，作用是对透过的光产生正弦调制。其中：光栅2用作投影栅线；光栅6用作参考，形成云纹。

所述的变焦镜头3和8，为佳能EF 16-35mm f/2.8L型号变焦距短焦镜头，通过专用的卡口固定在壳体4和9上。变焦范围：16-35mm；最近对焦距离：0.28米，作用分别是投影和接收物体表面的栅线。

所述的壳体4和9，用于集成系统各组件，同时具有遮蔽环境杂散光干扰的作用。

所述的CCD相机5，为Basler公司acA1600-20gm型工业相机，分辨率1600*1200，采集云纹图像。

所述的相移装置7，为高精度压电陶瓷平动台，闭环控制分辨率：7nm，与参考光栅6连接，驱动参考光栅6面内平动，实现条纹相移。

所述的图像处理控制系统10，分别通过RS232接口与千兆网线与相移装置7和CCD相机5连接，实现软件控制条纹相移以及图像采集。

本实施例中，投影系统由功率150W的卤素灯光源、投影光栅、商用变焦距短焦镜头组成；接收系统由CCD相机、参考光栅、另一短焦镜头组成。通过投影系统将光栅投影到被测物体表面，再由接收系统将物体表面的栅线成像到参考光栅上，形成云纹，并由CCD相机拍摄记录。实验中，投影系统与接收系统是任意放置的，两系统的光轴夹角大约为30°。被测物体为一圆盘，其最高点的高度为11mm，圆盘放置的位置距离测量系统大约500mm。图2所示为实验采集的云纹条纹图像，图中高频栅线噪声已经利用discrete grid averaging的方法从原始图像中去除，处理后的条纹质量是很高的。相移算法采用的是经典的四步相移算法，相移是通过高精度PZT平动台驱动参考光栅面内移动实现的。图2中蓝色矩形框内的灵敏度系数分布标定结果如图3所示。很显然，全场灵敏度系数不是常数，且其沿着垂直于条纹的方向从1.635到1.084单调变化。重建的圆盘三维形貌如图4所示，结果表明测量的圆盘最高处的高度为11.024mm(与真实值的误差为0.22％)。第650行的数据如图5所示，理论上这些像素点的高度应为零，因为没有任何的离面位移。因此，这些数据实际上是代表了系统的测量误差。通常，我们用均方根值(RMS)来评价误差大小，该行的RMS值仅为0.0063mm。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于投影云纹方法的离面位移测量系统，其特征在于，包括：栅线投影系统、图像采集系统和与之相连的图像处理系统，其中：栅线投影系统将栅线光投射至物体表面，经由图像采集系统采集受物体表面离面位移及通过参考光栅调制后产生的若干个畸变图像，即云纹条纹图像，通过图像处理系统以相移算法计算得到变形前后对应的全场的位相，从而得到全场离面位移；

所述的栅线投影系统包括：依次设置的光源、投影光栅和投影镜头；

所述的图像采集系统包括：依次设置的成像镜头、带有参考光栅的相移装置以及CCD相机；

所述的图像处理系统分别与相移装置和CCD相机相连，以实现移动参考光栅产生相移的同时采集对应的云纹条纹图像。

2.一种基于权利要求1所述系统的离面位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据测试需要，选择合适节距的投影光栅，将栅线投影系统置于测量距离处；

2)调节栅线投影系统中投影镜头的焦距，在被测物体表面形成清晰的栅线；

3)调节图像采集系统中成像镜头的焦距，将被测物体表面的栅线精确成像到图像采集系统中的参考光栅上从而形成云纹，并利用CCD相机拍摄记录云纹图像；

4)利用相移装置驱动参考光栅沿其主方向平动，实现云纹图像的相移，并记录多幅相移条纹图，运用相移算法计算得到变形前全场的位相；

5)变形后，重复步骤4)所述的相移操作，得到变形后对应的全场的位相；

6)将步骤4)和5)所获得的变形前后全场位相相减，得到物体表面离面位移引起的条纹位相变化，从而根据得到全场离面位移，其中：为第i行j列的像素点的条纹位相变化值。

3.根据权利要求2所述的离面位移测量方法，其特征是，所述的相移算法是指：由于云纹条纹图像满足空间正弦分布规律，对应所述的离面位移的信息蕴含在条纹的位相中，二者的具体关系满足下述公式：其中：为图像上第i行j列的像素点的条纹位相值，a(i,j)为该像素点处的灵敏度系数，h(i,j)为待求的离面位移。

4.根据权利要求2所述的离面位移测量方法，其特征是，所述的灵敏度系数a(i,j)由系统参数及测点位置决定，具体为：

2πf₁{(a₁λ₁+a₂λ₂+a₃)[a₇(x_B-x_P)+a₈(y_B-y_P)-a₉z_P+f₁]

其中：f₁为投影镜头的焦距，a_i(i＝1…9)表征的是投影坐标系到参考平面坐标系的变换关系，p为光栅节距，(x_B,y_B)为测点在参考平面坐标系下的坐标，(x_P,y_P,z_P)为投影坐标系原点在参考平面坐标系下的坐标。