CN106679591A - 一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置，装置包括计算机，投影仪，第一滤光透镜，数字微镜，第二滤光透镜和CCD相机。计算机产生光栅条纹图案经过投影仪投射至被测高反光表面；条纹图案经过被测高反光表面反射后，再经过第一滤光透镜到达数字微镜；数字微镜根据调节模板控制镜元翻转保持时间，对反射图案的光强进行像素级别的亮度衰减，使反射图案的亮度保持一致；被测高反光表面的反射图案再经过数字微镜进行二次反射，经过第二滤光透镜进入CCD相机的感光元件，得到亮度调节后的反射图案的数字图像；根据反射图案的数字图像计算相位分布，并最终根据转换方程得到被测高反光表面的三维点云。

Description

一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学投影三维测量系统领域，具体是一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置及方法。

背景技术

表面为高亮的物体广泛存在于工业制造中，如发动机叶片，抛光磨具以及汽车工业等，而且这些工件在生产和制造过程中，也迫切需要进行快速、准确的测量，确保产品的质量。现有的高精度表面测量主要以接触式测量为主，例如三坐标测量机等方式，测量速度和效率较低。

结构光三维测量技术具有扫描速度快，非接触以及点云密集等优点，被广泛用于逆向工程等应用中。现有的结构光三维扫描技术多适用于扫描和重构具有漫反射表面的物体。当扫描具有高反光表面的物体时，物体表面的高反光性使得物体表面反射的图案亮度区别很大。由于CCD相机的感光范围有限，在反射角附近的区域会由于亮度太大使得感光饱和，使得该部分区域无法进行扫描和重构。因此，传统的结构光三维测量技术无法很好的解决高反光表面测量困难的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置及方法，以解决现有技术结构光三维测量技术无法很好的解决高反光表面测量困难的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置，其特征在于：包括计算机、投影仪、第一滤光透镜、数字微镜、第二滤光透镜、CCD相机，所述投影仪接入计算机，投影仪的出光口对准被测高反光表面，第一滤光透镜、数字微镜依次置于被测高反光表面的反射光路上，其中数字微镜位于第一滤光透镜的透射光路上，且数字微镜亦接入计算机，第二滤光透镜、CCD相机依次置于数字微镜的反射光路上，且CCD相机的感光元件位于第二滤光透镜的透射光路上。

一种高反光表面三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、计算机产生光栅条纹图案，经过投影仪将该光栅条纹图案投射至被测高反光表面；

(2)、所述光栅条纹图案经过被测高反光表面反射，产生反射图案，反射图案透射过第一滤光透镜后到达数字微镜，再被数字微镜反射；

(3)、在计算机中设置调节模型，该调节模板是一组参数集合，调节模板的每个参数与数字微镜上的镜元一一对应。基于调节模板设置的控制参数控制数字微镜的镜元翻转保持时间，对再被数字微镜反射的反射图案的光强进行像素级别的亮度衰减，使再被数字微镜反射的反射图案的亮度保持一致；

(4)、被数字微镜反射的反射图案，透射第二滤光透镜后进入CCD相机的感光元件，得到亮度调节后的反射图案的数字图像；

(5)、根据反射图案的数字图像计算相位分布，并根据标定好的转换方程得到被测高反光表面的三维点云，转换方程如下所示：

这里，(x,y,z)^T是被测高反光表面的三维坐标，u,v是图像坐标，φ是相位值，(a_x1,…,a_zm)是标定好的模型系数。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明利用数字微镜的翻转特性实现了对高反光表面反射光亮度的像素级别的调制，结合结构光三维扫描技术，可对高亮表面物体进行快速、准确的三维重构和测量。本发明可以解决传统结构光三维扫描技术不能扫描重构高亮表面的问题，不需要对高亮表面进行粉末喷涂预处理，进一步扩展了结构光三维扫描技术的应用范围。与接触式测量方法相比，本发明能够将测量和检测的速度及效率大大提高。

附图说明

图1是本发明一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置及其方法的组成示意图。

图2是本发明中数字微镜对反射光亮度进行调制的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置，包括计算机1、投影仪2、第一滤光透镜3、数字微镜4、第二滤光透镜5、CCD相机6，投影仪2接入计算机1，投影仪2的出光口对准被测高反光表面7，第一滤光透镜3、数字微镜4依次置于被测高反光表面7的反射光路上，其中数字微镜4位于第一滤光透镜3的透射光路上，且数字微镜4亦接入计算机1，第二滤光透镜5、CCD相机6依次置于数字微镜4的反射光路上，且CCD相机6的感光元件位于第二滤光透镜5的透射光路上。

一种高反光表面三维测量方法，包括以下步骤：

(1)、计算机产生光栅条纹图案，经过投影仪将该光栅条纹图案投射至被测高反光表面；

(2)、所述光栅条纹图案经过被测高反光表面反射，产生反射图案，反射图案透射过第一滤光透镜后到达数字微镜，再被数字微镜反射；

(3)、在计算机中设置调节模型，该调节模板是一组参数集合，调节模板的每个参数与数字微镜上的镜元一一对应。基于调节模板设置的控制参数控制数字微镜的镜元翻转保持时间，对再被数字微镜反射的反射图案的光强进行像素级别的亮度衰减，使再被数字微镜反射的反射图案的亮度保持一致；

(4)、被数字微镜反射的反射图案，透射第二滤光透镜后进入CCD相机的感光元件，得到亮度调节后的反射图案的数字图像；

(5)、根据反射图案的数字图像计算相位分布，并根据标定好的转换方程得到被测高反光表面的三维点云，转换方程如下所示：

这里，(x,y,z)^T是被测高反光表面的三维坐标，u,v是图像坐标，φ是相位值，(a_x1,…,a_zm)是标定好的模型系数。

图2所示为本发明中数字微镜对反射光亮度进行调制的原理示意图。如图2所示，数字微镜4是由阵列排列的多个角度可控的镜元组合而成，每个镜元根据控制信号的不同可以翻转到不同的角度。因此，每个镜元反射光线的角度是可以通过数字控制信号进行控制的。当CCD相机6的感光元件与镜元某一个反射角度下反射光线垂直时，当镜元转到另外一个角度，则CCD相机6的感光元件接收不到反射光线。通过镜元控制信号控制镜元位于某个角度的时间长短，可以对反射到CCD相机6感光元件的光通量进行调节。根据待测表面反射图案的亮度分布可以计算得到用于控制数字微镜4镜元翻转的模板，通过模板对数字微镜4镜元进行翻转控制，可以避免高亮反光区域亮度饱和，使高反光表面反射的条纹图案亮度保持一致。

Claims (2)

1.一种基于数字微镜的高反光表面三维测量装置，其特征在于：包括计算机、投影仪、第一滤光透镜、数字微镜、第二滤光透镜、CCD相机，所述投影仪接入计算机，投影仪的出光口对准被测高反光表面，第一滤光透镜、数字微镜依次置于被测高反光表面的反射光路上，其中数字微镜位于第一滤光透镜的透射光路上，且数字微镜亦接入计算机，第二滤光透镜、CCD相机依次置于数字微镜的反射光路上，且CCD相机的感光元件位于第二滤光透镜的透射光路上。

2.一种基于权利要求1所述三维测量装置的高反光表面三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、计算机产生光栅条纹图案，经过投影仪将该光栅条纹图案投射至被测高反光表面；

(2)、所述光栅条纹图案经过被测高反光表面反射，产生反射图案，反射图案透射过第一滤光透镜后到达数字微镜，再被数字微镜反射；

(3)、在计算机中设置调节模型，该调节模板是一组参数集合，调节模板的每个参数与数字微镜上的镜元一一对应。基于调节模板设置的控制参数控制数字微镜的镜元翻转保持时间，对再被数字微镜反射的反射图案的光强进行像素级别的亮度衰减，使再被数字微镜反射的反射图案的亮度保持一致；

(4)、被数字微镜反射的反射图案，透射第二滤光透镜后进入CCD相机的感光元件，得到亮度调节后的反射图案的数字图像；

(5)、根据反射图案的数字图像计算相位分布，并根据标定好的转换方程得到被测高反光表面的三维点云，转换方程如下所示：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{x1}& a_{x2}& \mathrm{...}& a_{xm}\\ a_{y1}& a_{y2}& \mathrm{...}& a_{ym}\\ a_{z1}& a_{z2}& \mathrm{...}& a_{zm}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}1\\ u\\ v\\ .\\ .\\ .\\ u^n\\ v^n\\ {\mathrm{\φ}}^n\end{array}\right]$

这里，(x,y,z)^T是被测高反光表面的三维坐标，u,v是图像坐标，φ是相位值，(a_x1,…,a_zm)是标定好的模型系数。