CN106091988B - 一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，该方法利用计算机生成三种不同节距的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，投影设备将此蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面，和投影设备成一定角度的数字相机实时采集彩色的变形光栅条纹图像。计算机软件将此彩色图像进行RGB三个通道的分离，采用B通道图像计算包裹相位和展开相位，然后采用两种不同的算法分别计算展开相位，根据两种算法之间的差值和误差函数求得最优的相位补偿值。最后根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵计算得到高温锻件表面各点的三维坐标，从而获得补偿后的精确图像。实践证明，该方法可以使相对测量精度由1/1000降低到1/1500。

Description

一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法

技术领域

本发明涉及三维测量方法和仪器技术领域，具体涉及一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，尤其涉及光学三维测量系统中利用结构光相移光栅条纹图像对高温锻件进行三维尺寸测量的精度补偿方法。

背景技术

在实际测量中，数字相机采集的变形光栅条纹图像会受到环境噪声和投影设备的γ非线性等因素的影响，因此相位误差的误差不可避免被引入。为了减小环境光和γ非线性因素的对系统测量精度的影响，目前主要提出三种解决办法。

其一是，Zhang et al等提出的，假设相位误差的主要误差的来源是投影仪的γ非线性，利用查表法可使包裹相位的精度提高到5.6倍，该方法可对投影仪的γ非线性引起的误差具有良好的抑制作用，但是对于由环境噪声引起的相位误差误差没有明显的抑制作用。

其二是，Zhou et al等提出了建立环境光和相位误差之间关系的模型，使得相位误差明显减小。其三是，另外有学者提出的，通过利用两套初相位相差π/4的相移光栅条纹图像投射到物体表面，将两套光栅条纹图像的包裹相位取平均值，可以达到抑制γ非线性误差的目的，但是此方法需要投射两倍数量的光栅条纹图像，因此测量效率较低，并且，上述两种方法提出的减少误差的方法均是针对常温的被测物体提出的测量方法，对高温锻件的测量精度的误差并不适用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种简单、快速、易于补偿的高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法。采用该方法后高温锻件的测量精度由1/1000降低到1/1500。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机生成三种不同节距为p₁、p₂、p₃的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像；

步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行通道的分离，采用具有较好正弦性能的通道图像进行计算；

步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像的包裹相位

计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：

其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值；

步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p₁₂，根据以下公式(2)得出：

步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：

p₁(N₁+Δn₁)＝p₂(N₂+Δn₂)＝p₃(N₃+Δn₃)＝p₁₂(M₁₂+Δm₁₂),(3)

其中，N₁，N₂，N₃分别代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn₁，Δn₂，Δn₃代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M₁₂代表该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于的周期数，Δm₁₂代表在该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于一个周期内的相对位置；

同时，利用Δn_j与包裹相位之间的关系，如公式(4)所示：

然后根据上述公式(3)与(4)，推导得出合成包裹相位的条纹周期数M₁₂与Δm₁₂，

步骤6：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M₁₂，第一次计算节距为p₁、p₂的变形光栅条纹图像的展开相位φ₁和φ₂，计算公式(7)、(8)如下：

步骤7：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M₁₂，第二次计算节距为p₁、p₂的变形光栅条纹图像的展开相位Φ₁和Φ₂，计算公式(7)、(9)如下：

其中，round为取整函数；

步骤8：对步骤6与步骤7得出的φ₁与Φ₁以及φ₂与Φ₂进行比较，若两者的展位相位相等，则不需要对展开相位进行补偿；若两者存在差值，则需对展开相位进行补偿；精度补偿方法如下：

i.假设存在差值为ξ，则

ξ＝Φ_j﹣φ_j，j＝1，2 (10)

ii.首选针对展开相位φ₁与Φ₁进行精度的补偿：

根据公式(8)可知，φ₁的测量误差dφ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据公式(9)可知，Φ₁的测量误差dΦ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据步骤i与步骤ii中的公式(10)、(11)、(12)，可以得出如下关系式(13)：

由关系式(13)可得出公式(14)：

其中，是包裹相位的误差；

iii.构建一误差函数公式(15)如下：

利用公式(14)与公式(15)，并对该误差函数值取最小值，最后计算得出：

iv.重复步骤ii与iii，同理得出：

v.根据公式(9)、(16)、(17)可以得出，展开相位Φ_j补偿后的补偿展开相位为：

步骤9：利用计算得出的补偿展开相位与展开相位Φ_j以及根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像。

较佳地，利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行RGB三通道的分离。

较佳地，变形光栅条纹图像进行RGB三通道的分离后，采用具有较好正弦性能的B通道图像进行计算。

本发明的有益效果：

本发明采用计算机产生的蓝色结构光投射到高温锻件表面，通过通道分离技术得到清晰的高温锻件表面变形光栅条纹图像。根据这些清晰的图像计算包裹相位和展开相位，然后采用两种不同的算法分别计算展开相位，根据两种算法之间的差值和误差函数求得最优的相位补偿值，由此可见，该方法简单、快速、易于补偿，并可以使相对测量精度由1/1000降低到1/1500。

附图说明

图1是本发明一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法的测量原理图；

图2是被测的管件锻件加热到1200℃后获得的RGB三通道分离后的图像；

图3是投影设备将蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面后获得的RGB三通道分离后的图像；

图4是三种不同节距的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面后获得的B通道的图像；

图5是三种不同节距的变形光栅条纹图像的包裹相位的图像；

图6是合成包裹相位的图像；

图7是合成包裹相位的条纹周期数M₁₂的图像；

图8是通过计算获得的展开相位Φ₁的图像；

图9是补偿前高温锻件的三维尺寸图像；

图10是补偿后高温锻件的三维尺寸图像；

图11是抽取图9与图10中第70行数据的对比图；

图12是利用本发明的补偿方法对待测平板进行验证的测量过程中涉及的被测物图像、变形的彩色光栅条纹图像、分理后B通道的图像、包裹相位的图像以及展开相位的图像；

图13是补偿前被测平板的三维尺寸图像；

图14是补偿后被测平板的三维尺寸图像；

图15是抽取图13与图14中第80行数据的对比图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的详细描述。

如图1所示，高温锻件三维尺寸的精确测量可以实时调整压机设备的工作状态，有助于提高锻件的锻造质量和锻件材料的利用率。高温锻件三维尺寸的精确测量系统包括一个投影设备、一个数字相机和一个计算机。蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像由计算机软件产生。投影设备将此蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面，和投影设备成一定角度的数字相机实时采集彩色的变形光栅条纹图像。计算机软件将此彩色图像进行RGB三个通道的分离，采用B通道图像计算包裹相位和展开相位，然后采用两种不同的算法分别计算展开相位，根据两种算法之间的差值和误差函数求得最优的相位补偿值。最后根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵计算得到高温锻件表面各点的三维坐标，从而获得补偿后的精确图像。实践证明，该方法可以使相对测量精度由1/1000降低到1/1500。

图2所示的图像为将一个被测的管件锻件加热到1200℃获得彩色图像，并将该彩色图像进行RGB三通道分离后最终获得的图像，如图21、图22、图23所示。

图21、图22、图23分别代表的是R通道、G通道，B通道的示意图。

由此可见，此锻件辐射可见光能量主要集中在红色频段。

图3所示的图像为投影设备将蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到被测高温锻件表面采集到的彩色变形图像，由该彩色变形图像进行RGB三通道分离后最终获得的图像，如图31、图32、图33所示。

图31、图32、图33分别代表的是R通道、G通道，B通道的示意图。

从上图可以看出，B分量图像具有较好的正弦性能。

综上所述，计算机产生的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像投射到高温锻件表面，通过通道分离技术可以得到清晰的高温锻件表面变形光栅条纹图像。根据这些清晰的图像以下计算包裹相位和展开相位。具体如下：

一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机生成三种不同节距为p₁、p₂、p₃的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像；所述的节距为一个周期内的采样点数。

步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行通道的分离，采用具有较好正弦性能的B通道图像进行计算，如图4a、4b、4c所示。图中的横坐标和纵坐标均代表像素。

步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像的包裹相位 如图5a、5b、5c所示。图中的横坐标和纵坐标均代表像素。

计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：

其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值。

步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p₁₂，根据以下公式(2)得出：

根据计算得出的的图像如图6所示。图中的横坐标和纵坐标均代表像素。

步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：

p₁(N₁+Δn₁)＝p₂(N₂+Δn₂)＝p₃(N₃+Δn₃)＝p₁₂(M₁₂+Δm₁₂),(3)

其中，N₁，N₂，N₃分别代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn₁，Δn₂，Δn₃代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M₁₂代表该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于的周期数，Δm₁₂代表在该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于一个周期内的相对位置；

同时，利用Δn_j与包裹相位之间的关系，如公式(4)所示：

然后根据上述公式(3)与(4)，推导得出合成包裹相位的条纹周期数M₁₂与Δm₁₂，

根据计算得出的M₁₂的图像如图7所示。图中的横坐标和纵坐标均代表像素。

步骤6：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M₁₂，第一次计算节距为p₁、p₂的变形光栅条纹图像的展开相位φ₁和φ₂，计算公式(7)、(8)如下：

在实际测量中，由于环境光和γ非线性等因素的影响，数字相机采集的变形光栅条纹图像的光强会存在误差，按照(1)式计算的包裹相位，会使包裹相位和存在误差。按照公式(8)计算展开相位φ₁，由于乘以了因子p₂/(p₂-p₁)，并且p₂/(p₂-p₁)>1，因此会使的误差放大，导致展开相位φ₁存在较大的测量误差。因此通常采用公式9计算展开相位Φ_j。

步骤7：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹级数M₁₂，第二次计算变形光栅条纹图像的展开相位Φ₁和Φ₂，计算公式(7)、(9)如下：

其中，round为取整函数；公式(9)中，展开相位Φ₁的测量误差由决定，一般情况下，展开相位Φj的精度要比φj高。获得的展开相位Φ₁的图像如图8所示。图中的横坐标和纵坐标均代表像素。

步骤8：对步骤6与步骤7得出的φ₁与Φ₁以及φ₂与Φ₂进行比较，若两者的展位相位相等，则不需要对展开相位进行补偿；若两者存在差值，则需对展开相位进行补偿；精度补偿方法如下：

i.假设存在差值为ξ，则

ξ＝Φ_j﹣φ_j，j＝1，2 (10)

ii.首选针对展开相位φ₁与Φ₁进行精度的补偿：

根据公式(8)可知，φ₁的测量误差dφ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据公式(9)可知，Φ₁的测量误差dΦ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据步骤i与步骤ii中的公式(10)、(11)、(12)，可以得出如下关系式(13)：

由关系式(13)可得出公式(14)：

其中，是包裹相位的误差；

iii.构建一误差函数公式(15)如下：

利用公式(14)与公式(15)，并对该误差函数值取最小值，最后计算得出：

iv.重复步骤ii与iii，同理得出：

v.根据公式(9)、(16)、(17)可以得出，展开相位Φ_j补偿后的补偿展开相位为：

步骤9：利用计算得出的补偿展开相位与展开相位Φ_j以及根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像，如图10所示。

根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像的技术是本领域技术人员的常规技术。

利用本发明所提的方法补偿展开相位，将展开相位值Φ₁减去包裹相位的误差补偿值得到补偿相位补偿前后的高温锻件三维尺寸的图像，如图9和图10所示，图11是图9和图10中第70行数据的对比图，可见采用本方法补偿展开相位后，锻件表面的误差得到了明显的消除。图9与图10中横坐标和纵坐标均代表像素。图11中的横坐标代表像素，纵坐标代表弧度。

本发明还提供了一种验证本发明测量方法的精确性。

为了验证本发明测量方法的精确性，在实验室对一个平板进行了测量。平板距离测量系统大约1500mm，如图121所示，数字相机采集的一幅变形的彩色光栅条纹图像如图122所示，图122的B分量通道图像如图123所示，包裹相位和展开相位分别如图124与图125所示。补偿前和补偿后的平面三维尺寸图像如图13与图14所示，图15是图13和图14中第80行数据的对比图，补偿前平面的均方根误差为0.8362mm，最大误差为1.4785mm，补偿后平面的均方根误差为0.5934mm，最大误差为0.9763mm，采用该方法后被测物的相对误差由1/1000降低到1/1500，而且从图中可以看出，采用该方法进行相位补偿后的误差得到了明显的消除。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (1)

1.一种高温锻件三维尺寸测量精度的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算机生成三种不同节距为p₁、p₂、p₃的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像，调整数字投影设备参数，将所述的蓝色正弦结构光相移光栅条纹图像按顺序依次通过数字式投影设备投射到被测高温锻件的表面，并用数字相机按相应的顺序依次对被测锻件进行图像采集，获得对应节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像；

步骤2：利用计算机软件对步骤1中的变形光栅条纹图像进行RGB三通道的分离，采用具有较好正弦性能的B通道图像进行计算；

步骤3：选取步骤2中的通道图像上的一点，其像素坐标为(x，y)，采用四步相移法计算得出节距为p₁、p₂、p₃的变形光栅条纹图像的包裹相位

计算包裹相位由于每个节距均能得到四幅变形光栅条纹图像，因此根据以下公式(1)：

其中，I(x，y)为第一、二、三、四幅变形光栅条纹图像中像素坐标为(x，y)的光强灰度值；

步骤4：计算合成包裹相位的合成节距p₁₂，根据以下公式(2)得出：

步骤5：由于每幅变形光栅条纹图像中同一位置点的相对位置不变，可以得到以下的关系式(3)：

p₁(N₁+Δn₁)＝p₂(N₂+Δn₂)＝p₃(N₃+Δn₃)＝p₁₂(M₁₂+Δm₁₂), (3)

其中，N₁，N₂，N₃分别代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于的周期数；Δn₁，Δn₂，Δn₃代表该同一位置点在节距为p₁，p₂，p₃的变形光栅条纹图像中处于一个周期内的相对位置，M₁₂代表该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于的周期数，Δm₁₂代表在该同一位置点在节距为p₁₂的合成条纹图像中处于一个周期内的相对位置；

同时，利用Δn_j与包裹相位之间的关系，如公式(4)所示：

然后根据上述公式(3)与(4)，推导得出合成包裹相位的条纹周期数M₁₂与Δm₁₂，

步骤6：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M₁₂，第一次计算节距为p₁、p₂的变形光栅条纹图像的展开相位φ₁和φ₂，计算公式(7)、(8)如下：

步骤7：利用合成包裹相位与步骤5中的条纹周期数M₁₂，第二次计算节距为p₁、p₂的变形光栅条纹图像的展开相位Φ₁和Φ₂，计算公式(7)、(9)如下：

其中，round为取整函数；

步骤8：对步骤6与步骤7得出的φ₁与Φ₁以及φ₂与Φ₂进行比较，若两者的展位相位相等，则不需要对展开相位进行补偿；若两者存在差值，则需对展开相位进行补偿；精度补偿方法如下：

i.假设存在差值为ξ，则

ξ＝Φ_j﹣φ_j，j＝1，2 (10)

ii.首选针对展开相位φ₁与Φ₁进行精度的补偿：

根据公式(8)可知，φ₁的测量误差dφ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据公式(9)可知，Φ₁的测量误差dΦ₁是由包裹相位的误差产生，即

根据步骤i与步骤ii中的公式(10)、(11)、(12)，可以得出如下关系式(13)：

由关系式(13)可得出公式(14)：

其中，是包裹相位的误差；

iii.构建一误差函数公式(15)如下：

利用公式(14)与公式(15)，并对该误差函数值取最小值，最后计算得出：

iv.重复步骤ii与iii，同理得出：

v.根据公式(9)、(16)、(17)可以得出，展开相位Φ_j补偿后的补偿展开相位为：

步骤9：利用计算得出的补偿展开相位与展开相位Φ_j以及根据投影设备和数字相机的内外标定矩阵，最终得到补偿后高温锻件表面的三维图像。