CN106546192B - 一种高反射自由曲面非接触测量方法和系统 - Google Patents

一种高反射自由曲面非接触测量方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高反射自由曲面非接触测量方法，包括下列步骤：1）借助于LCD显示器和三相机获取物点坐标和法线信息：使用LCD显示器投射编码相移条纹，由相机获取经被测物体表面反射的LCD显示器上的相移条纹；借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面；使用双相机获得的两个入射光平面，并由入射光平面求交获得入射光线信息；使用反射光线和入射光平面求交或反射光线和入射光线求交计算物点坐标信息；使用反射光线和入射光线获取物点法线信息；2）采用径向基插值法或梯度积分法对获取的物点坐标和法线信息进行插值或梯度积分，获取物点的精确三维信息。本发明测量速度快，非接触，对高反射物体表面无损伤。

Description

一种高反射自由曲面非接触测量方法和系统
技术领域
本发明涉及光学测量领域，具体为一种高反射自由曲面非接触测量方法和系统。
背景技术
自由曲面指非对称不规则的曲面，其中具有高反射特性的自由曲面，特别是如光学曲面，叶片等具有高反射性质的超精密加工件，在航空航天、国防、生物医学、微电子等高科技领域中的应用越来越广泛。准确测量和评价超精密加工高反射曲面的表面形貌，对缺陷检测以及改进加工技术和方法具有重大意义。然而高反射自由曲面的高精度测量一直是超精密加工领域的难点所在。
目前针对高反射自由曲面的测量方法主要包括接触式测量方法和非接触光学测量方法。接触式测量方法有其方法本身的缺陷：容易破坏自由曲面表面特性。相位偏折术是光学非接触测量中比较重要的测量高反射自由曲面三维形貌的方法。
相位偏折术是根据物体表面的镜面反射特性，由投影设备向待测物体投射调制图像，由摄像机接收被测物体表面所形成的投影图像，根据入射光线和反射光线的几何关系恢复出被测物体的三维形貌。相位偏折术首先需要测量标准平面镜得到标准图像，然后测量待测物体，由于物体表面的高度变化将使相机拍摄的图像发生变形，通过相位恢复算法得到变形条纹的相位图，将之与标准图像的相位比较，得到相位该变量。利用光线偏折原理建立相位改变量与待测物体梯度的关系。
由单投影设备和CCD摄像机组成的相位偏折术测量系统，具有求解‘法线不唯一’的缺点，测量系统有较大误差。目前国内外基于相位偏折术提出了多种实现对高反射物体表面的形貌测量的解决方案，但是都存在着一定的不足。如国外的Markus C.Knauer提出的测量系统由LCD和两个CCD摄像机组成，缺点是使用两个相机增加了成本；四川大学肖永亮提出的测量系统由两个LCD显示器和一个CCD摄像机组成，缺点是CCD和LCD的位置关系不容易标定；上海大学陶涛提出的测量系统由一个放在精密导轨上面LCD显示器和一个CCD摄像机组成，缺点是使用了辅助导轨，增加了导轨运动误差，降低了测量精度。针对目前高反射自由曲面三维形貌测量中的不足，研究一种快速方面、非接触的测量方法，具有重要的理论和工程意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高反射自由曲面非接触测量方法和系统，用于高反射自由曲面非接触测量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高反射自由曲面非接触测量方法，包括下列步骤：
1)借助于LCD显示器和三相机获取物点坐标和法线信息：使用LCD显示器投射编码相移条纹，由相机获取经被测物体表面反射的LCD显示器上的相移条纹；借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面；使用双相机获得的两个入射光平面，并由入射光平面求交获得入射光线信息；使用反射光线和入射光平面求交或反射光线和入射光线求交计算物点坐标信息；使用反射光线和入射光线获取物点法线信息；
2)采用径向基插值法或梯度积分法对获取的物点坐标和法线信息进行插值或梯度积分，获取物点的精确三维信息。
在借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面中，具体为：入射光线为LCD显示器上光点到物点的光线，反射光线为物点到相机像素的光线，对于同一条反射光线来说，入射光线的方向是唯一的，移动LCD显示器，在LCD显示器上有与反射光线对应的光点，这些光点在入射光线的光路上，并且这些光点与相机光心共同组成入射光平面，入射光平面由相机光心和相机图像平面上与反射光线对应的两个像素点所决定。
LCD显示器移动两次即能够获得入射光平面，但是为了精确求解，LCD显示器移动大于两次，进行入射光平面精确拟合。
在获得入射光线信息中，具体为：使用LCD显示器显示编码相移条纹图案，移动LCD显示器获得两个入射光平面，入射光线同时在两个相机所决定的入射光平面上，因此两个入射光平面求交就获得入射光线信息；投影的相移条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹，余弦光栅条纹。
在计算物点坐标信息中，具体分为反射光线与入射光平面求交，反射光线与入射光线求交；反射光线与入射光平面求交由双相机实现，但不能获取物点的法线信息；反射光线与入射光线求交必须由三相机来实现，能获得物点的法线信息，并由径向基函数插值法或梯度积分来进一步获取物点更精确的三维信息。
一种高反射自由曲面非接触测量系统，包括LCD显示器，用于显示编码相移条纹图案；三相机，其中一个相机用于获取待测物体表面反射的LCD显示器上相移编码图案，另外两个相机用于获取LCD显示器上显示的编码相移条纹图案；计算机，用于产生编码相移条纹图案，并由LCD显示器投射。
与现有技术相比，本发明具有以下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明使用LCD显示器投射编码相移条纹，使用相机获取经待测物体表面反射的LCD显示器相移编码图案，使用双相机获取LCD显示器投射的编码相移条纹，采用LCD显示器位置移动，获取入射光线所在的入射光平面，由两个入射光平面相交获取入射光线信息，并根据反射光线与入射光平面求交或反射光线和入射光线求交计算物点坐标，根据反射光线和入射光线确定物点的法线信息，并进一步的采用径向基函数插值法或梯度积分法获取物点更精确的三维信息，因而本发明能显著的提高高反射自由曲面三维测量的检测精度和分辨力，测量速度快，非接触，对高反射物体表面无损伤。
附图说明
图1为高反射自由曲面三维测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
一种高反射自由曲面非接触测量方法，包括下列步骤：
1)借助于LCD显示器和三相机获取物点坐标和法线信息：使用LCD显示器投射编码相移条纹，由相机获取经被测物体表面反射的LCD显示器上的相移条纹；借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面；使用双相机获得的两个入射光平面，并由入射光平面求交获得入射光线信息；使用反射光线和入射光平面求交或反射光线和入射光线求交计算物点坐标信息；使用反射光线和入射光线获取物点法线信息；
2)采用径向基插值法或梯度积分法对获取的物点坐标和法线信息进行插值或梯度积分，获取物点的精确三维信息。
在借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面中，具体为：入射光线为LCD显示器上光点到物点的光线，反射光线为物点到相机像素的光线，对于同一条反射光线来说，入射光线的方向是唯一的，移动LCD显示器，在LCD显示器上有与反射光线对应的光点，这些光点在入射光线的光路上，并且这些光点与相机光心共同组成入射光平面，入射光平面由相机光心和相机图像平面上与反射光线对应的两个像素点所决定。
LCD显示器移动两次即能够获得入射光平面，但是为了精确求解，LCD显示器移动大于两次，进行入射光平面精确拟合。
在获得入射光线信息中，具体为：使用LCD显示器显示编码相移条纹图案，移动LCD显示器获得两个入射光平面，入射光线同时在两个相机所决定的入射光平面上，因此两个入射光平面求交就获得入射光线信息；投影的相移条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹，余弦光栅条纹。
在计算物点坐标信息中，具体分为反射光线与入射光平面求交，反射光线与入射光线求交；反射光线与入射光平面求交由双相机实现，但不能获取物点的法线信息；反射光线与入射光线求交必须由三相机来实现，能获得物点的法线信息，并由径向基函数插值法或梯度积分来进一步获取物点更精确的三维信息。
一种高反射自由曲面非接触测量系统，包括LCD显示器，用于显示编码相移条纹图案；三相机，其中一个相机用于获取待测物体表面反射的LCD显示器上相移编码图案，另外两个相机用于获取LCD显示器上显示的编码相移条纹图案；计算机，用于产生编码相移条纹图案，并由LCD显示器投射。
综上所述，本发明提出的测量方法和系统能够精确的测出物体表面各点的空间坐标位置，实现对高反射自由曲面的非接触三维精确测量。
实施例一：
如图1所示为高反射自由曲面三维测量原理图。
在相机的光心oc点处建立相机坐标系{c}，在双相机的光心oc1和oc2处分别建立坐标系{c1}和{c2}。通过传统的双目相机标定法获得双相机坐标系{c1}，{c2}与相机坐标系{c}的转换关系，其位姿转换关系分别为R1T1和R2T2。
测量时，由显示器LCD 1上投射编码相移条纹图案，由相机获取经待测物体反射的显示器LCD 1上编码相移条纹图案。对于高反射物体w上的物点o来说，其反射光线为nr，由相机光心oc和相机图像平面上的像素点pc决定，其入射光线为ni，入射光线与显示器LCD 1的交点为ob1，在双相机上图像平面的对应点分别为c12和c22。把显示器LCD 1移动到显示器LCD 2位置处，由显示器LCD 2投影编码相移条纹图案，由相机获取待测物体表面反射的显示器LCD 2上的编码相移条纹图案，对于同一条反射光线nr来说，其对应的入射光线在显示器LCD 2上的交点为ob2，这个交点在双相机图像平面的对应点分别为c11和c21。
计算物点坐标时，对于同一条反射光线nr来说，其入射光线ni由ob1和ob2的连线确定，ob1和ob2在有相机光心oc1和相机图像平面像素点c12、c11或相机光心oc2和相机图像平面c21、c22所组成的平面上，这两个平面就是入射光线所在的入射光平面。反射光线nr和两个入射光平面的交点就是物点o在相机坐标系{c}下的坐标信息。入射光线ni在两个入射光平面上，两个入射光平面的交线就是入射光线ni。
计算法线信息n时，由入射光线ni和反射光线nr确定。
计算物点精确三维坐标时，由径向基函数插值法或梯度积分法来实现。
综上，本发明主要的核心在于一个是入射光平面技术，一个是法线获取技术，是对当前高反射自由曲面三维测量方法比较大的改进。前者通过反射光线与入射光平面求交能够获得比较精确的物点坐标，在保证测量精度的前提下，很大程度的提高了测量速度，降低了测量复杂度，简化了测量过程。后者由两个入射光平面求交获得入射光线信息，由入射光线和反射光线确定物点的法线信息，进而由径向基函数插值法或梯度积分法获得更精确的物点坐标，此技术相较于当前的法线获取技术理论上讲更为缜密，法线信息更为精确。

Claims (6)

1.一种高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1）借助于LCD显示器和三相机获取物点坐标和法线信息：使用LCD显示器投射编码相移条纹，由相机获取经被测物体表面反射的LCD显示器上的相移条纹；借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面；使用双相机获得的两个入射光平面，并由入射光平面求交获得入射光线信息；使用反射光线和入射光平面求交或反射光线和入射光线求交计算物点坐标信息；使用反射光线和入射光线获取物点法线信息；
2）采用径向基插值法或梯度积分法对获取的物点坐标和法线信息进行插值或梯度积分，获取物点的精确三维信息。
2.根据权利要求1所述的高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，在借助于LCD显示器位置改变，获取入射光线所在的入射光平面中，具体为：入射光线为LCD显示器上光点到物点的光线，反射光线为物点到相机像素的光线，对于同一条反射光线来说，入射光线的方向是唯一的，移动LCD显示器，在LCD显示器上有与反射光线对应的光点，这些光点在入射光线的光路上，并且这些光点与相机光心共同组成入射光平面，入射光平面由相机光心和相机图像平面上与反射光线对应的两个像素点所决定。
3.根据权利要求1或2所述的高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，LCD显示器移动两次即能够获得入射光平面，但是为了精确求解，LCD显示器移动大于两次，进行入射光平面精确拟合。
4.根据权利要求1所述的高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，在获得入射光线信息中，具体为：使用LCD显示器显示编码相移条纹图案，移动LCD显示器获得两个入射光平面，入射光线同时在两个相机所决定的入射光平面上，因此两个入射光平面求交就获得入射光线信息；投影的相移条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹，余弦光栅条纹。
5.根据权利要求1所述的高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，在计算物点坐标信息中，具体分为反射光线与入射光平面求交，反射光线与入射光线求交；反射光线与入射光平面求交由双相机实现，但不能获取物点的法线信息；反射光线与入射光线求交必须由三相机来实现，能获得物点的法线信息。
6.一种高反射自由曲面非接触测量系统，利用权利要求1-5中任一项所述高反射自由曲面非接触测量方法，其特征在于，包括LCD显示器，用于显示编码相移条纹图案；三相机，其中一个相机用于获取待测物体表面反射的LCD显示器上相移编码图案，另外两个相机用于获取LCD显示器上显示的编码相移条纹图案；计算机，用于产生编码相移条纹图案，并由LCD显示器投射。
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