CN106168467A - 一种三维检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维检测装置，其特征在于，包括：成像装置，彩色光源装置，处理装置，该成像装置，采集该彩色光源装置作用在被测物上的彩虹条纹，并传输至处理装置，以进行彩色编码，并转换为HSV，以在色调H分量上与预设阀值比对。

Description

一种三维检测装置及方法

技术领域

本发明属于机器视觉领域，涉及一种三维检测装置，尤其涉及一种采用彩色编码照明技术的三维检测装置及方法

背景技术

器视觉检测是用机器代替人眼来做测量和检测的高新技术。基于机器视觉的产品检测，有利于工业自动化生产，具有非接触、无需标记的优点。所以，在现代工业流水线生产中，机器视觉技术被广泛应用在产品质量检测和工业生产在线监控等领域。其中，以结构光为基础的三维测量在实际中被广泛使用。但是存在着以下问题：(1)测量精度受到物理光学的限制难以提高(2)遮挡和对应点匹配难以解决(3)视场不大(4)系统的复杂性较高。

结构光法是一种主动式三角测量技术，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法在实际三维测量中被广泛使用，但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度与速度相互矛盾，难以同时得到提高。

目前结构光主要有四种基本的照明形式：

第一种是点结构光。激光器发出的光束投射到物体上产生一个光点，光点经摄像机的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个二维点。摄像机的视线和光束在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的标定可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知世界坐标系中的空间位置。由于需要通过逐点扫描物体进行测量，图像摄取和处理需要的时间随着被测物体的增大而急剧增加。

第二种是线结构光。投射器向被测物体表面投射一个片状光束，光条由于物体表面深度的变化以及可能的间隙而受到调制，表现在图像中则是光条发生畸变和不连续，畸变的程度与深度成正比，不连续则显示出了物体表面的物理间隙。本质上就是从畸变的光条图像信息中获取物体表面的三维信息。实际上，线结构光也可以说是点结构光的扩展。过相机光心的视线束在空间中与激光平面相交产生很多交点，在物体表面处的交点则是光条上众多的光点，因而便形成了点结构光模式中类似额度众多的三角几何约束。很明显，与点结构光模式相比较，线结构光模式的测量信息量大大增加，而其实现的复杂性并没有增加，因而得到广泛应用。

第三种是多线结构光。多线结构光是光带模式的扩展。投射器向被测物体表面投射多条光条，其目的一方面是为了在一幅图像中可以处理多条光条，提高处理效率，另一方面是为了实现物体表面的多光条覆盖从而增加测量的信息量，以获得物体表面更大范围的深度信息。

第四种是面结构光。投射器投射一个二维图形到被测物体表面，这样不需要进行扫描就可以实现三维测量。当投影的结构光图像比较复杂时，为了确定物体表面点与其图像像素点之间的对应关系，需要对投射的图案进行编码，因而这类方法又称编码结构光测量法。图案编码分为空域编码和时域编码。空域编码只需要一次投射就可以获得物体深度图，适合动态测量。时域编码需要将多个不同的投射编码图案组合起来解码。

近年来，伴随着激光技术、计算机技术以及图像处理等高新技术的发展，光学非接触式测量技术得到广泛的应用，尤其是以结构光照明三维成像系统为代表的三维测量技术得到了较大发展。随着计算机、光学元器件的性价比大幅提高，结构光照明三维成像系统的实用性、商业性日益明显，但此技术中仍存在着诸多问题，亟待解决。大致可以概括为以下两个方面：

1、遮挡问题

由于结构光照明三维成像系统是基于光学三角法进行测量，投影仪和摄像机之间存在着一定的夹角，通过拍摄受待测物体表面调制而变形的图案，解出包含在变形图案中的投影仪坐标信息，然后根据投影仪坐标和高度映射关系来获取物体三维面形信 息。此时若物体表面的高度剧烈变化或者不连续，便会造成阴影、遮挡等问题。增加投影仪和摄像机之间的夹角，可以提高系统的测量精度，但同时也导致了更多的遮挡和阴影，局部区域的测量数据不可靠。

2、对应点匹配问题

在面结构光照明三维成像系统工作过程中，通过编码来确定投影仪与摄像机的对应点，因此可靠的对应点匹配关系是结构光照明三维成像系统测量中的一个极其重要的问题。实际中，由于阴影、遮挡、噪音及局部采样不足等原因，造成解码错误，导致对应点的误匹配。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维检测装置，其采用彩色编码三维检测技术，以解决结构光照明三维成像技术中的遮挡问题及对应点匹配问题，提高了测量数据的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三维检测装置，其包括：成像装置，彩色光源装置，处理装置，所述成像装置，采集彩色光源装置作用在被测物上的彩虹条纹，并传输至处理装置，以进行彩色编码，并转换为HSV，以在色调H分量上与预设阀值比对。

进一步的，所述彩色光源装置包括：至少三组颜色不同的光源模组。

进一步的，所述光源模组分别采用R、G、B三色LED。

进一步的，各所述光源模组呈环状，具有不同直径，并相互间隔同轴设置，且相互间至少部分不重叠遮挡。

进一步的，所述成像装置的取景方向设在所述环状光源模组的中轴，以透过所述环状光源模组中心孔向下取景。

进一步的，所述成像装置与所述彩色光源装置及被测物基本保持在同一垂直线。

进一步的，所述成像装置为摄像机。

进一步的，所述光源模组内设驱动模组，以控制所述光源模组输出的颜色。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种三维检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1采集至少三种颜色光源作用于被测物上的彩虹条纹；

S2进行彩色编码，并转换为HSV；

S3在色调H分量上与预设阀值对比。

进一步的，所述S1采集RGB光源作用于被测物体上的彩虹条纹。

通过本发明提供的一种三维检测装置及方法，能够极大的减小阴影、遮挡、噪音等因素对检测结果的影响，并最大程度简化三维测量方式，且算法简单，实际应用价值较高。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为结构光三角法原理示意图。

图2为点结构光原理示意图。

图3为线结构光原理示意图。

图4为多线结构光原理示意图。

图5为网格结构光原理示意图。

图6为本发明的一种三维检测装置示意图。

图7为本发明的一种三维检测装置检测流程示意图。

图8为HSV颜色空间模型示意图。

图9至图12为本发明的一种三维检测装置对被测零件正反面边缘彩色编码之图和RGB、HSV颜色空间直方图。

图中标号：1为成像装置，2彩色光源装置，3为被测零件，4为第一组环状光源模组，5为第二组环状光源模组，6为第三组环状光源模组。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1～图5分别介绍了结构光三角法原理以及四种基本的结构光照明形式。

图6为本发明的一种三维检测装置的较佳实施方式，其中该三维检测装置采用彩色编码三维检测技术，其能够对被检测物的差异进行高效识别，在应用中可以作为自动化产线中的品质鉴别或特征识别等功能装置，本实施例中以对一具有肉眼难以辨别特征的金属零件(以下简称被测零件3)进行正反面的识别为例说明。

具体的，该三维检测装置包括：成像装置1，其设置在该被测零件3垂直位上方，本实施例优选摄像机，彩色光源装置2，设置在该成像装置1与该被测零件3之间。其中该彩色光源装置2优选采用RGB三色LED光源制成，呈三组半径不同的环状光源模组，且相互之间不重叠遮挡或至少部分不重叠遮挡，此外该三组环状光源模组相互同轴，并间隔。

具体来说，本实施例中第一组环状光源模组4设为红色，第二组环状光源模组5为绿色，第三组环状光源模组6为蓝色的排布位置为例，该三组环状光源模组每组分别输出RGB中的一种颜色，通过该环状光源模组内设的驱动模组，控制变色，以产生多样化的颜色输出，因此当被测物颜色与RGB中某色重叠时，为了提高检测效率可及时变化颜色输出。

进一步的该成像装置1的取景方向设置在该三组环状光源模组的中轴，以透过该 环状光源中心孔向下取景，具体来说，该成像装置1，彩色光源装置2，被测零件3基本保持在同一垂直线，通过此位置设置，能够很好地解决被测零件3，因表面高度剧烈变化或者不连续而造成的阴影、遮挡等问题，提高了测量数据的可靠性。

具体来说，该成像装置1与彩色光源装置2的上述位置设置，能使彩色光源装置2的不同照射角度的入射光在被测零件3边缘反射后，被成像装置1捕捉，以在图像上被呈现出不同宽度的彩虹条纹。

当本实施例中被测零件3的正面边缘带有圆滑处理的特征，因而被测零件3边缘与被测零件3表面存在客观的较小的弧度或梯度变化，故当该彩色光源装置2的RGB三色光照射至被测零件3边缘特征时，由于各组环状光源模组位置及直径尺寸不同，因而所对应的光源入射角也不同的RGB三色光均能在圆弧面或梯度上相应的位置以一条光路反射至相成像装置1，从而在图像上呈现出较宽且明显的彩虹条纹以形成第一彩色编码。

而被测零件3的反面边缘本实施例中为垂直切割，此处被测零件3的边缘与被测零件3的表面几乎成直角，梯度变化较大，故当彩色光源装置2的RGB三色光照射至物体边缘时，只有入射角最小的，该第一组环状光源模组4激发的红色光线能反射至相机镜头，而其他颜色光因入射角较大，无法反射至相机镜头，从而在图像上呈现出较窄且不明显的彩虹条纹以形成第二彩色编码。

进一步的，该三维检测装置还包括：处理装置，其通过对该成像装置1采集的彩虹条纹进行计算处理后获得检测结果，具体的，以上述该被测零件3正反面检测流程为例，辅以图7为参考。首先，通过成像装置1获取该彩色光源装置2向被测零件3投射的三色光照RGB图像，本实施例中为了更好地获取被测零件3的正反面边缘彩色编码，将图像由RGB转换到HSV颜色空间处理。生成HSV颜色空间直方图，对色调H分量直方图进行比对分析，通过设定合理阈值获得检测结果。

进一步的，请参阅图8为HSV颜色空间模型示意图。HSV(Hue，Saturation，Value)是由A.R.Smith在1978年根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间，也称六角锥体模型(Hex-cone Model)。

该HSV模型中颜色的参数分别是：色调(H)，饱和度(S)，亮度(V)。

1、色调H。用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°，蓝色为240°。

2、饱和度S，取值范围为0.0～1.0，值越大，颜色越饱和。

3、亮度V，取值范围为0(黑色)～255(白色)。

RGB到HSV的转换：

V＝max(R,G,B)

$S=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V-\min (R,G,B)}{V}& ifV\≠0\\ 0& otherwise\end{array}\right.$

$H=\left\{\begin{array}{cc}\frac{60*(G-B)}{V-\min (R,G,B)}& ifV=R\\ 120+\frac{60*(B-R)}{V-\min (R,G,B)}& ifV=G\\ 240+\frac{60*(R-G)}{V-\min (R,G,B)}& ifV=B\end{array}\right.$

根据上述HSV模型，具体的，请参阅图9是被测零件3正反面边缘彩色编码图和RGB、HSV颜色空间直方图。由被测零件3正反面边缘彩色编码图可以看到，该彩色光源装置2的该三组环状光源模组，从不同照射角度入射不同颜色光在被测零件3边缘反射后呈现出不同宽度的彩虹条纹。被测零件3正面边缘带有圆滑处理、梯度变化较小，故当RGB三色光照射至被测零件3边缘时，在图像上呈现出较宽且明显的彩虹条纹。而被测零件3反面边缘为垂直切割，梯度变化较大，故当RGB三色光照射至被测零件3边缘时，在图像上呈现出较窄且不明显的彩虹条纹。由RGB颜色空间直方图可以看到，被测零件3正反面R、G、B三通道分量均无规律可循。而由HSV颜色空间直方图色调H分量可以看到，被测零件3正反面呈现出了完全不同的特征分布，进而经过多次检测及比对即可对需要检测的被测物进行定标，以便后续自动化检测识别，故可以很好地区分该被测零件3正反面。

当然本领域技术人员应当了解，上述三维检测装置除能够根据被测物体边缘的彩色编码进行识别判断外，也可以用于针对被测物体的被测表面粗糙度检测。

具体的，该彩色光源装置2的该三组环状光源模组，从不同照射角度，入射不同颜色光在被测物体表面，其中该被测物体表面具有客观的坑洼，当光线射入该坑洼地 带后，将引起反射，并在相应位置射入成像装置1，以获取不同宽度的彩虹条纹图像，后经过该处理装置处理计算后，形成彩色编码，并将该图像由RGB转换到HSV颜色空间处理。生成HSV颜色空间直方图，对色调H直方图进行对比分析，通过设定合理阈值获得检测结果，以对当前被测物体表面粗糙度形成判断。

通过本发明提供的一种三维检测装置及方法，免去通过编码寻找可靠对应点的匹配关系，且阴影、遮挡、噪音等因素对检测结果影响较小。以结构光为基础的三维测量通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标，复杂性较高。而本发明通过彩色编码三维检测技术最大程度简化三维测量，算法简单，实际应用价值较高。

上述实施例中，虽举例对金属零件进行检测，但本领域技术人员应当了解，上述技术方案也可用于其他具有光线反射特性的材料零件的检测，同时上述实施例虽依举了RGB三色作为该三维检测装置的照明光源，但本发明并未对其进行限制，在其他实施方式中，亦可采用区分较为明显的三种不同颜色的照明光源进行替代，同时也未对该环状光源模组的形状进行限制，任何能够通过不同入射角度以射入不同颜色光在被测物体上进行反射后能够被该成像装置1所采集，的形状都再本发明实施例揭露范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维检测装置，其特征在于，包括：成像装置，彩色光源装置，处理装置，其中所述成像装置，采集所述彩色光源装置作用在被测物上的彩虹条纹，并传输至处理装置，以进行彩色编码，并转换为HSV，以在色调H分量上与预设阀值比对。

2.根据权利要求1所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述彩色光源装置包括：至少三组颜色不同的光源模组。

3.根据权利要求2所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述光源模组分别采用R、G、B三色LED。

4.根据权利要求2所述的一种三维检测装置，其特征在于：各所述光源模组呈环状，具有不同直径，并相互间隔同轴设置，且相互间至少部分不重叠遮挡。

5.根据权利要求4所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述成像装置的取景方向设在所述环状光源模组的中轴，以透过所述环状光源模组中心孔向下取景。

6.根据权利要求5所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述成像装置与所述彩色光源装置及被测物基本保持在同一垂直线。

7.根据权利要求1至6中任一所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述成像装置为摄像机。

8.根据权利要求2所述的一种三维检测装置，其特征在于：所述光源模组内设驱动模组，以控制所述光源模组输出的颜色。

9.一种三维检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1采集至少三种颜色光源作用于被测物上的彩虹条纹；

S2进行彩色编码，并转换为HSV；

S3在色调H分量上与预设阀值对比。

10.根据权利要求7所述的一种三维检测方法，其特征在于：所述S1采集RGB光源作用于被测物体上的彩虹条纹。