CN107167093B - 一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法。该方法先采用相位激光线扫描技术对被测物体进行一次粗测量，再用阴影莫尔轮廓术对被测物体进行一次精测量。并利用粗测量的测量结果辅助精测量的相位去包裹，实现对台阶的精确量。测量装置的光源采用激光微振镜投影仪，既能够实现快速的激光线扫描也能为阴影莫尔测量提供全场均匀的照明。所有测量在一个系统内完成，两次测量之间被测物体不需要做任何移动。保证了测量精度和测量速度。

Description

一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓测量方法，特别是激光线扫描和阴影莫尔轮廓术融合复合式测量方法与其系统。

背景技术

三维测量技术作为沟通现实世界和虚拟的数字世界的桥梁，其重要作用越来越凸显。被广泛的应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐、电子商务、文物保护等诸多行业。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。

激光线扫描测量法，是以一条或多条激光光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对金属物体表面同样可以进行测量等优点，被广泛的应用于工业检测和金属测量领域中。同时，激光扫描的测量精度将受到光源技术和投影设备的影响，传统的投影镜头采用DLP，LCD等数字光技术，但由于其投影像素离散、分辨率有限、光强度非线性和功耗高等缺点，会影响了三维扫描的精度。

阴影莫尔轮廓测量又称为莫尔等高线法，其原理是光源将基准光栅投影到被测物体表面从而形成光栅阴影，光栅阴影受到物体表面高度的调制成为变形光栅，然后使用另一个光栅或者光栅本身与变形光栅进行交叠从而形成莫尔条纹，由采集到的莫尔条纹绘制出等高线进而推断出物体表面的轮廓信息。传统莫尔轮廓术的测量分辨力有限，现代相位解调技术的发展特别是相移算法的发展使莫尔轮廓术的测量分辨率大大提高。然而相位轮廓术有一个缺点，那就是采用反三角函数求解条纹相位时，求解的结果会包裹在反三角函数的值域内。当物体表面存在一个超过条纹深度周期的台阶时，解调出的条纹相位和真实值相差2kπ，换算成高度信息时就会与真实的高度分布相差N*ρ(N为整数，ρ为条纹深度周期)。因此，相位莫尔轮廓术不适合测量表面有较大台阶的物体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量相结合的测量方法。该方法先采用激光线扫描技术对被测物体进行一次粗测量，再用阴影莫尔轮廓测量对被测物体进行一次精测量，并利用粗测量的测量结果辅助精测量的相位解包裹，实现对台阶的精确量。测量装置的光源采用激光MEMS投影仪，既能用作激光线扫描的线光源也能为阴影莫尔轮廓测量提供全场均匀的照明。所有测量在一个系统内完成，两次测量之间被测物体不需要做任何移动。保证了测量精度和测量速度。

本发明的技术方案为：

一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统，将激光MEMS投影仪作为激光线扫描的光源和阴影莫尔测量的光源；复合式测量系统测量系统分别进行激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量，利用激光线扫描得到的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量的相位解包裹。

激光MEMS投影仪首先生成线激光，利用激光线扫描对物体进行粗测量，再利用阴影莫尔轮廓测量对物体进行精测量，利用粗测量的结果辅助精测量的相位解包裹。

利用单目标定技术求解出相机和光栅的位置关系，再利用逆相机标定技术标定出光源和相机的位置关系，得到阴影莫尔测量系统中相机、光源、光栅三者的位置关系。

所述的激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统的测量方法，按照如下步骤：

第一步，标定系统光学参数，阴影莫尔轮廓测量中需要标定相机、光栅、光源三者的位置关系，激光线扫描系统中需要标定投影仪和相机两者的位置关系；

第二步，采用激光线扫描对物体进行粗测量，将光栅上移，使被测物体位于阴影莫尔轮廓测量的深度测量范围外，利用激光MEMS投影仪生成光刀，对待测物体进行一次粗测量；

第三步，利用阴影莫尔轮廓测量待测物体进行精确测量，将光栅下降至合适的位置，使之靠近物体表面，激光MEMS投影仪向物体投射全亮画面，这将在物体表面生成莫尔条纹，利用相移法对被测物体表面的轮廓进行精确测量；

第四步，测量数据融合，利用激光线扫描的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量

进行相位解包裹，获得精度高，无包裹的测量结果。

标定系统光学参数按照如下步骤：

1.调整好相机的光圈和焦距，准备好标定板，进行相机标定及相机光栅相对位置标定，将标定板置于相机视场内，改变标定板的位姿，采集标定板的图像；再将标定板紧贴光栅下表面，采集标定板图像，利用单目相机标定技术能够标定出相机内参和相机与光栅的位姿关系[R₁,T₁]；

2.相机投影仪类双目标定，将标定板置于相机和投影仪的共同视场内，改变标定板的位姿，利用逆相机标定技术标定出相机和投影仪的位姿关系[R₂,T₂]，具体标定过程如下：

1)摆放好标定板，使之位于相机和投影仪的共同市场内，用相机拍摄标定板的图像，保存每一张图像，并提取图像中标定板中每个标志点的图像坐标和圆心的亚像素坐标；

2)用MEMS投影仪向标定板分别投射一组水平方向和垂直方向的相移条纹图，并用相机记录下标定板上的条纹图；

3)对条纹相位图进行处理，将位于标志点上的像素置为NAN，提取出条纹相位并解包裹，得到水平方向和垂直方向的投影条纹的绝对相位值，根据相机坐标系下的标志点圆心所对应的像素，利用二维插值得到圆心位置处的条纹绝对相位；

4)根据获得的标志点圆心的绝对相位，利用插值法确定在投影仪中的标准投影图像上相位值等于标志点圆心的绝对相位的亚像素坐标，将该亚像素坐标作为标志点圆心的在投影仪的逆相机模型的坐标；

5)改变标定板的为姿，重复上述步骤，得到多组标定板位于不同位姿的时的圆心在投影仪和摄像机中的图像坐标。

6)在计算出标志点在投影仪的逆相机模型的坐标后，对投影仪进行标定，得到投影仪的内部参数和相机与投影仪的相对位置位姿矩阵[R₂,T₂]；

3.对位姿矩阵[R₁,T₁]和[R₂,T₂]进行坐标变换，得到相机到光栅的距离h₁，投影仪到光栅的距离h₂，以及相机2-3到投影仪1-3的距离d，利用调整装置上下调节投影仪的位置使h₂＝h₁，并更新[R₂,T₂]。

激光线扫描进行粗测量按照如下步骤：系统开始工作时，位移台带动光栅向上移动，使被测物体位于阴影莫尔测量的深度测量范围外；激光投影仪向被测物进行投影单条或者多条光刀，由相机进行数据采集，将获得的图像进行光刀中心提取，获得光刀中心矩阵；根据投影仪与相机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标，利用投影仪使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标；测量的数据处理步骤如下：

1)光刀中心提取：

①首先用1×3的滑动窗口在图像行上滑动,根据阈值及约束条件,计算滑动窗口下灰度分布满足条件的3个像素的灰度和；滑动窗口下面3个像素的灰度和取最大值时的窗口中心位置,即为该行上光带中心的粗略位置；

②在光刀中心粗略位置的左右，根据光刀的宽度范围，左右各取一定宽度的像素区域；并对该范围内的像素灰度值进行低通平滑滤波和幂次变换,降低灰度的不匀称非正态分和高频噪声对光刀中心提取的影响；

③对光带边界内的像素进行梯度重心计算，得到该行上的光带中心点亚像素位置；对图像上每一行执行以上步骤即可计算出每一行上的光带中心点位置,从而得到图像的光带中心线；

2)获取粗测量点云数据：

我们已经获得光刀中心矩阵、投影装置和相机的内外参数，根据类双目立体视觉技术，重建出被测物体的三维点云模型。

阴影阴影莫尔进行精测量按照如下步骤：完成激光线扫描后可确定物体的大概位置，将光栅下移至靠近物体表面，激光MEMS向物体投影全亮画面，此时物体表面已进入莫尔测量的深度测量范围，可进行阴影莫尔轮廓测量；测量过程的条纹帧数和相移步长要根据选用的相位解调方法而定；采用四步相移法，该方法要求获取4帧条纹图，相移步长为测量过程如下：

获取条纹图，光栅移动到指定位置后，相机进行一次曝光，采集一帧条纹图。由于在测量中即h>>z，h+z≈h；位移台带动光栅竖直上移可获得全场均匀的相移，光栅8位移距离由以下公式决定：

上式中为需要产生的相移量，对应于四步相移法，所需的相移量为当光栅上移至指定的位置，再采集一帧条纹图，重复上述步骤，采集完四帧条纹图后，光栅回到初始位置；

2)相位解调，获取相应条纹图后，利用以下公式求解出条纹相位：

上式中angle(a,b)为求复数辐角的运算，采用反正切方法求解复数a+bi(a、b均为实数)的辐角，其值域在[-π，π]之间，因此求解出的相位会包裹在[-π，π]之间；因此求解出的相位和真实的条纹相位分布相处2Kπ；

第四步：测量结果融合：

1)坐标变换，对利用激光线扫描的测量结果进行RT变换，将相机坐标系下的三维坐标换算成光栅系下的三维坐标；

上式中R₁和T₁为标定最终的到相机到光栅的旋转和平移矩阵；

提取出光栅坐标系下的Z向坐标，将深度信息换算成相位信息；

上式中Z^G为在光栅坐标系中Z向坐标，是根据高度换算成的条纹相位值，为一个M×N维矩阵；

2)判断k值，将激光线扫面测量的深度信息，和阴影莫尔测量的相位信息代入，利用以下公式获得每一点的K值；

上式中的函数round(a)表示对a取整；

5)获得融合相位分布，利用获得的K值实现相位解包裹，公式如下

4)换算成高度信息；根据标定的参数，将相位换算成高度，换算公式如下：

用新得到的深度信息Z^M替换原光栅坐标系下的Z坐标Z^G,得到新的三维坐标

有益效果

本发明通过将激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量两种方法融合在一起，实现高精度的三维轮廓测量。消除了传统莫尔法的相位包裹的影响，能够实现超过条纹深度周期的台阶测量，其Z向分辨率达到2um。本方法将激光MEMS投影仪作为阴影莫尔法的光源，相对于传统的光源，具有照明均匀的，条纹质量好的特点。同时，激光MEMS投影仪也作为线扫描的激光光源，能够实现快速，全场的扫描。本发明还提出了针对传统莫尔法难以准确标定的缺点，提出了针对本系统的精确标定方法。

附图说明：

图1为激光线扫描原理图；

图2为阴影莫尔测量原理图；

图3为测量装置图。

图中，1-1为激光线光源，1-2为光源，1-3为激光微振镜投影仪，2-1为相机,2-2为相机，2-3为相机，3为被测物面，4为参考面，5为光栅，6为投影仪位置调整装置，7为位移台，8为光栅，9为被测物体，10为载物台。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、2和3，一种激光光刀与阴影莫尔融合式测量方法，具体包括以下步骤：

第一步，标定系统参数。

阴影莫尔测量系统和激光线扫描测量系统都要求系统参数的准确标定。需要标定的参数有：相机内参，投影仪内参，光栅、投影仪、相机三者位置关系。当调整好相机的光圈和焦距，准备好标定板，就可进行标定。标定步骤如下：

1.相机标定及相机光栅相对位置标定。将标定板置于相机2-3视场内，改变标定板的位姿，采集标定板的图像。再将标定板紧贴光栅下表面，采集标定板图像。利用单目相机标定技术能够标定出相机内参和相机与光栅的位姿关系[R₁,T₁]。

2.相机投影仪类双目标定。将标定板置于相机2-3和投影仪1-3的共同视场内，改变标定板的位姿，利用逆相机标定技术标定出相机2-3和投影仪1-3的位姿关系[R₂,T₂]。具体标定过程如下：

1)摆放好标定板，使之位于相机2-3和投影仪1-3的共同市场内。用相机2-3拍摄标定板的图像，保存每一张图像，并提取图像中标定板中每个标志点的图像坐标和圆心的亚像素坐标。

2)用MEMS投影仪1-3向标定板分别投射一组水平方向和垂直方向的相移条纹图，并用相机记录下标定板上的条纹图。

3)对条纹相位图进行处理，将位于标志点上的像素置为NAN，提取出条纹相位并解包裹，得到水平方向和垂直方向的投影条纹的绝对相位值。根据相机2-3坐标系下的标志点圆心所对应的像素，利用二维插值得到圆心位置处的条纹绝对相位。

4)根据获得的标志点圆心的绝对相位，利用插值法确定在投影仪1-3中的标准投影图像上相位值等于标志点圆心的绝对相位的亚像素坐标，将该亚像素坐标作为标志点圆心的在投影仪1-3的逆相机模型的坐标。

5)改变标定板的为姿，重复上述步骤，得到多组标定板位于不同位姿的时的圆心在投影仪1-3和摄像机2-3中的图像坐标。

6)在计算出标志点在投影仪1-3的逆相机模型的坐标后，对投影仪1-3进行标定，得到投影仪1-3的内部参数和相机2-3与投影仪1-3的相对位置位姿矩阵[R₂,T₂]。

3.对位姿矩阵[R₁,T₁]和[R₂,T₂]进行坐标变换，可以得到相机2-3到光栅8的距离h₁，投影仪1-3到光栅8的距离h₂，以及相机2-3到投影仪1-3的距离d。利用调整装置6上下调节投影仪的位置使h₂＝h₁，并更新[R₂,T₂]。

第二步，利用激光线扫描进行粗测量。

标定系统参数后，开始用激光线扫描进行粗测量。系统开始工作时，位移台7带动光栅8向上移动，使被测物体9位于阴影莫尔测量的深度测量范围外。激光投影仪1-3向被测物9进行投影单条或者多条光刀，由相机2-3进行数据采集。将获得的图像进行光刀中心提取，可以获得光刀中心矩阵。根据投影仪1-3与相机2-3之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标，利用投影仪1-3使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标。测量的数据处理步骤如下：

1)光刀中心提取

①首先用1×3的滑动窗口在图像行上滑动,根据阈值及约束条件,计算滑动窗口下灰度分布满足条件的3个像素的灰度和。滑动窗口下面3个像素的灰度和取最大值时的窗口中心位置,即为该行上光带中心的粗略位置。

②在光刀中心粗略位置的左右，根据光刀的宽度范围，左右各取一定宽度的像素区域。并对该范围内的像素灰度值进行低通平滑滤波和幂次变换,降低灰度的不匀称非正态分和高频噪声对光刀中心提取的影响。

③对光带边界内的像素进行梯度重心计算，可以得到该行上的光带中心点亚像素位置。对图像上每一行执行以上步骤即可计算出每一行上的光带中心点位置,从而得到图像的光带中心线。

2)获取粗测量点云数据

我们已经获得光刀中心矩阵、投影装置1-3和相机2-3的内外参数，根据类双目立体视觉技术，可以重建出被测物体的三维点云模型。

第三步，利用阴影阴影莫尔进行精测量

完成激光线扫描后可确定物体9的大概位置，将光栅8下移至靠近物体表面，激光MEMS向物体投影全亮画面，此时物体表面已进入莫尔测量的深度测量范围，可进行阴影莫尔轮廓测量。测量过程的条纹帧数和相移步长要根据选用的相位解调方法而定。我们以传统的四步相移法为例，该方法要求获取4帧条纹图，相移步长为测量过程如下

获取条纹图。光栅8移动到指定位置后，相机2-3进行一次曝光，采集一帧条纹图。由于在测量中即h>>z，h+z≈h。位移台7带动光栅8竖直上移可获得全场均匀的相移，光栅8位移距离由以下公式决定

上式中为需要产生的相移量，对应于四步相移法，所需的相移量为当光栅8上移至指定的位置，再采集一帧条纹图，重复上述步骤，采集完四帧条纹图后，光栅8回到初始位置。

2)相位解调。获取相应条纹图后，可利用以下公式求解出条纹相位

上式中angle(a,b)为求复数辐角的运算，采用反正切方法求解复数a+bi(a、b均为实数)的辐角，其值域在[-π，π]之间，因此求解出的相位会包裹在[-π，π]之间。因此求解出的相位和真实的条纹相位分布相处2Kπ.

第四步：测量结果融合。

1)坐标变换。对利用激光线扫描的测量结果进行RT变换，将相机坐标系下的三维坐标换算成光栅系下的三维坐标。

上式中R₁和T₁为标定最终的到相机到光栅的旋转和平移矩阵。

提取出光栅坐标系下的Z向坐标，将深度信息换算成相位信息。

上式中Z^G为在光栅坐标系中Z向坐标，是根据高度换算成的条纹相位值，为一个M×N维矩阵。

2)判断k值。将激光线扫面测量的深度信息，和阴影莫尔测量的相位信息代入，利用以下公式获得每一点的K值

上式中的函数round(a)表示对a取整。

5)获得融合相位分布。利用获得的K值实现相位解包裹，公式如下

4)换算成高度信息。根据标定的参数，将相位换算成高度，换算公式如下：

用新得到的深度信息Z^M替换原光栅坐标系下的Z坐标Z^G,得到新的三维坐标

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统，其特征在于：

将激光MEMS投影仪作为激光线扫描的光源和阴影莫尔测量的光源；复合式测量系统测量系统分别进行激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量，利用激光线扫描得到的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量的相位解包裹；

激光MEMS投影仪首先生成线激光，利用激光线扫描对物体进行粗测量，再利用阴影莫尔轮廓测量对物体进行精测量，利用粗测量的结果辅助精测量的相位解包裹；

利用单目标定技术求解出相机和光栅的位置关系，再利用逆相机标定技术标定出光源和相机的位置关系，得到阴影莫尔测量系统中相机、光源、光栅三者的位置关系；

按照如下步骤：

第一步，标定系统光学参数，阴影莫尔轮廓测量中需要标定相机、光栅、光源三者的位置关系，激光线扫描系统中需要标定投影仪和相机两者的位置关系；

第二步，采用激光线扫描对物体进行粗测量，将光栅上移，使被测物体位于阴影莫尔轮廓测量的深度测量范围外，利用激光MEMS投影仪生成光刀，对待测物体进行一次粗测量；

第三步，利用阴影莫尔轮廓测量待测物体进行精确测量，将光栅下降至合适的位置，使之靠近物体表面，激光MEMS投影仪向物体投射全亮画面，这将在物体表面生成莫尔条纹，利用相移法对被测物体表面的轮廓进行精确测量；

第四步，测量数据融合，利用激光线扫描的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量进行相位解包裹，获得精度高，无包裹的测量结果；

所述标定系统光学参数按照如下步骤：

(1).调整好相机的光圈和焦距，准备好标定板，进行相机标定及相机光栅相对位置标定，将标定板置于相机视场内，改变标定板的位姿，采集标定板的图像；再将标定板紧贴光栅下表面，采集标定板图像，利用单目相机标定技术能够标定出相机内参和相机与光栅的位姿关系[R₁,T₁]；

(2).相机投影仪类双目标定，将标定板置于相机和投影仪的共同视场内，改变标定板的位姿，利用逆相机标定技术标定出相机和投影仪的位姿关系[R₂,T₂]，具体标定过程如下：

1)摆放好标定板，使之位于相机和投影仪的共同视场内，用相机拍摄标定板的图像，保存每一张图像，并提取图像中标定板中每个标志点的图像坐标和圆心的亚像素坐标；

2)用MEMS投影仪向标定板分别投射一组水平方向和垂直方向的相移条纹图，并用相机记录下标定板上的条纹图；

3)对条纹相位图进行处理，将位于标志点上的像素置为NAN，提取出条纹相位并解包裹，得到水平方向和垂直方向的投影条纹的绝对相位值，根据相机坐标系下的标志点圆心所对应的像素，利用二维插值得到圆心位置处的条纹绝对相位；

4)根据获得的标志点圆心的绝对相位，利用插值法确定在投影仪中的标准投影图像上相位值等于标志点圆心的绝对相位的亚像素坐标，将该亚像素坐标作为标志点圆心的在投影仪的逆相机模型的坐标；

5)改变标定板的位姿，重复上述步骤，得到多组标定板位于不同位姿的时的圆心在投影仪和摄像机中的图像坐标；

6)在计算出标志点在投影仪的逆相机模型的坐标后，对投影仪进行标定，得到投影仪的内部参数和相机与投影仪的相对位置位姿矩阵[R₂,T₂]；

(3).对位姿矩阵[R₁,T₁]和[R₂,T₂]进行坐标变换，得到相机到光栅的距离h₁，投影仪到光栅的距离h₂，以及相机到投影仪的距离d，利用调整装置上下调节投影仪的位置使h₂＝h₁，并更新[R₂,T₂]。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，激光线扫描进行粗测量按照如下步骤：

系统开始工作时，位移台带动光栅向上移动，使被测物体位于阴影莫尔测量的深度测量范围外；激光投影仪向被测物进行投影单条或者多条光刀，由相机进行数据采集，将获得的图像进行光刀中心提取，获得光刀中心矩阵；根据投影仪与相机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标，利用投影仪使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标；测量的数据处理步骤如下：

1)光刀中心提取：

①首先用1×3的滑动窗口在图像行上滑动,根据阈值及约束条件,计算滑动窗口下灰度分布满足条件的3个像素的灰度和；滑动窗口下面3个像素的灰度和取最大值时的窗口中心位置,即为该行上光带中心的粗略位置；

②在光刀中心粗略位置的左右，根据光刀的宽度范围，左右各取一定宽度的像素区域；并对该范围内的像素灰度值进行低通平滑滤波和幂次变换,降低灰度的不匀称非正态分和高频噪声对光刀中心提取的影响；

③对光带边界内的像素进行梯度重心计算，得到该行上的光带中心点亚像素位置；对图像上每一行执行以上步骤即可计算出每一行上的光带中心点位置,从而得到图像的光带中心线；

2)获取粗测量点云数据：

我们已经获得光刀中心矩阵、投影装置和相机的内外参数，根据类双目立体视觉技术，重建出被测物体的三维点云模型。