CN108303040B - 基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法，用于测量被测物体，其装置包括投影仪、半透半反镜和平面复眼，所述投影仪中发出的结构光通过半透半反镜照射在被测物体上，经过被测物体反射后再次经过半透半反镜后成像在平面复眼中，所述平面复眼与计算机连通。本发明的优点在于：其利用半透半反镜建立了投影仪和平面复眼间的同轴关系，实现了全视场无阴影测量；利用平面复眼多通道间的约束关系，可实现对结构光图像的快速准确分析，并对低相位敏感区域进行校正。与传统方法相比，本发明具有全视场、无阴影、速度快、精度高等特点，在三维测量领域具有广阔的应用前景。

Description

基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法
技术领域
本发明涉及机器视觉三维测量技术领域，具体涉及一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法。
背景技术
基于结构光的三维测量方法具有结构简单、非接触、测量精度高、速度快等优点，广泛应用于智能制造、工业检测、生物医学等领域。但是当测量复杂面型时，传统结构光测量方法很容易产生阴影，测量存在盲区。同轴结构光测量方法能够很好地避免了测量盲区，但是光轴附近的相位敏感度较低，测量精度不高，同时测量速度也是限制其应用的主要因素。上述方法受到自身固有特性的影响，视场、速度与精度仍存在局限性。因此，全视场无盲区、快速准确的三维测量方法具有广阔应用前景。
发明内容
本发明提供一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法，其完善了现有检测手段的一些不足和局限性，实现全视场无盲区、快速准确的三维测量。
为实现上述目的，本发明所涉及的一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法，用于测量被测物体，其装置包括投影仪、半透半反镜和平面复眼，所述投影仪中发出的结构光通过半透半反镜照射在被测物体上，经过被测物体反射后再次经过半透半反镜后成像在平面复眼中，所述平面复眼与计算机连通。
进一步地，所述平面复眼的一侧设有多个微透镜，所述平面复眼的另一侧设有图像传感器，所述被测物体反射后的结构光通过半透半反镜、微透镜后照射在图像传感器上，所述图像传感器将所呈图像传输至计算机中。
进一步地，所述平面复眼内还设有多个孔径光阑，所述结构光依次通过微透镜和孔径光阑后照射在图像传感器上。其三者所在平面相互平行，为了保证平面复眼的成像范围内无盲区，相邻通道间的视场相互重叠，但其对应的成像区域相互独立。利用平面复眼多通道间的约束关系，可实现对结构光图像的快速准确分析；利用多通道间重叠视场的冗余信息，对低相位敏感区域进行校正。
更进一步地，所述投影仪水平布置，所述半透半反镜与水平面夹角为45°，所述平面复眼垂直布置在半透半反镜正上方，所述被测物体垂直布置在半透半反镜正下方。
一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：投影仪发出结构光首先通过半透半反镜的折射作用，照射在被测物体表面；
步骤2：结构光在被测物体表面反射后，再次通过半透半反镜，成像在平面复眼上，并将结构光图像传输至计算机；
步骤3：计算机分析处理结构光图像，恢复出结构光图像的绝对相位分布，并根据三角关系计算出被测物体的三维轮廓。
作为优选项，所述步骤3中，所述被测物体的三维轮廓的计算方法为：
通过构建同轴光系统的投影与成像光路，根据光线追踪原理，对于一定的三维分布，分析被测物体表面的成像相位分布公式为：
其中，为相位分布， Zx,y为三维信息，T为投影条纹周期，代表系统的焦距等光学参数。
本发明的优点在于：其利用半透半反镜建立了投影仪和平面复眼间的同轴关系，实现了全视场无阴影测量；利用平面复眼多通道间的约束关系，可实现对结构光图像的快速准确分析，并对低相位敏感区域进行校正。与传统方法相比，本发明具有全视场、无阴影、速度快、精度高等特点，在三维测量领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2 为本发明所采用的正交条纹光栅；
图3 为本发明所采用的同心圆光栅
图4为本发明多孔径成像三维测量原理；
图5 为本发明同轴系统相位调制模型光路图。
图中：投影仪1、半透半反镜2和平面复眼3（其中：微透镜3.1、图像传感器3.2、孔径光阑3.3）、结构光4、被测物体5、计算机6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1，一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统及使用方法，用于测量被测物体5，其装置包括投影仪1、半透半反镜2和平面复眼3，所述投影仪1中发出的结构光4通过半透半反镜2照射在被测物体5上，经过被测物体5反射后再次经过半透半反镜2后成像在平面复眼3中，所述平面复眼3与计算机6连通。所述平面复眼3的一侧设有多个微透镜3.1，所述平面复眼3的另一侧设有图像传感器3.2，所述被测物体5反射后的结构光4通过半透半反镜2、微透镜3.1后照射在图像传感器3.2上，所述图像传感器3.2将所呈图像传输至计算机6中。所述平面复眼3内还设有多个孔径光阑3.3，所述结构光4依次通过微透镜3.1和孔径光阑3.3后照射在图像传感器3.2上。
所述投影仪1水平布置，所述半透半反镜2与水平面夹角为45°，所述平面复眼3垂直布置在半透半反镜2正上方，所述被测物体5垂直布置在半透半反镜2正下方。
一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：投影仪1发出结构光4首先通过半透半反镜2的折射作用，照射在被测物体5表面；
步骤2：结构光4在被测物体5表面反射后，再次通过半透半反镜2，成像在平面复眼3上，并将结构光4图像传输至计算机6；
步骤3：计算机6分析处理结构光4图像，恢复出结构光4图像的绝对相位分布，并根据三角关系计算出被测物体5的三维轮廓：所述被测物体5的三维轮廓的计算方法为：
通过构建同轴光系统的投影与成像光路，根据光线追踪原理，对于一定的三维分布，分析被测物体5表面的成像相位分布公式为：
其中，为相位分布， Zx,y为三维信息，T为投影条纹周期，代表系统的焦距等光学参数。
实施例1：
如图1，投影仪1发出的结构光4，一部分结构光4将透过半透半反镜2到达被测物体5表面；由于被测物体5表面轮廓的调制作用，结构光4发生变形；由于被测物体5表面的反射作用，结构光4发生反射，一部分结构光4将再次透过半透半反镜2，被平面复眼3接收，记录被测物体5的表面变形结构光4，并将结构光4图像传输至计算机6；计算机6分析处理结构光4图像，恢复出结构光4图像的绝对相位分布，并根据三角关系便可恢复出被测物体5的三维轮廓。
实际使用时，所采用两种常见的结构光样式如图2和3所示，其中图2为正交条纹图案，图3为同心圆光栅图案。
如图4，空间点P1和P2，P1和P2以及微透镜a的投影中心位于同一条直线上，所以P1和P2经过微透镜在图像传感器上聚焦于同一点上；P1和P2经过透镜b后不再聚于一点上，假设间距为△，同理，点P1和P2经过其他不同透镜也会构成类似的几何关系，那么可以通过这个参数，对点进行空间定位。
然而，不同孔径的组合对测量精度影响不一致，这是由于不同透镜之间的基线长度不同引起的。除此以外，不同微孔径组的公共视场也是不一样，基线长的微透镜组，其公共视场范围较小；基线短的微透镜组，公共视场较大，但是精度较差。因而，不能简单的以基线的长短作为孔径组合选择的唯一依据，需要综合考虑到视场的大小、测量的精度等来进行基于平面复眼的多孔径成像三维测量。
本发明拟采用粗细结合的测量方法，先采用相邻孔径进行精度较差的测量，估计一个位置去计算最优孔径，最后最优孔径进行高精度的测量。
对于特定的通道，一旦系统参数固定，相位对三维或深度信息的调制特性便可确定下来。
如图5，为透视投影同轴系统的相位调制光路。考虑到远心成像系统的特性，S点与A点在相位面上为同一成像点，计算出在物体表面上的投影场绝对相位分布，根据光线逆追踪，就可以求得系统的深度分布。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统，用于测量被测物体（5），其特征在于：包括投影仪（1）、半透半反镜（2）和平面复眼（3），所述投影仪（1）中发出的结构光（4）通过半透半反镜（2）照射在被测物体（5）上，经过被测物体（5）反射后再次经过半透半反镜（2）后成像在平面复眼（3）中，所述平面复眼（3）与计算机（6）连通；所述平面复眼（3）的一侧设有多个微透镜（3.1），所述平面复眼（3）的另一侧设有图像传感器（3.2），所述被测物体（5）反射后的结构光（4）通过半透半反镜（2）、微透镜（3.1）后照射在图像传感器（3.2）上，所述图像传感器（3.2）将所呈图像传输至计算机（6）中；所述平面复眼（3）内还设有多个孔径光阑（3.3），所述结构光（4）依次通过微透镜（3.1）和孔径光阑（3.3）后照射在图像传感器（3.2）上；微透镜（3.1）、孔径光阑（3.3）和图像传感器（3.2）三者所在平面相互平行，相邻通道间的视场相互重叠，保证平面复眼（3）的成像范围内无盲区，每个孔径光阑（3.3）对应的成像区域相互独立。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统，其特征在于：所述投影仪（1）水平布置，所述半透半反镜（2）与水平面夹角为45°，所述平面复眼（3）垂直布置在半透半反镜（2）正上方，所述被测物体（5）垂直布置在半透半反镜（2）正下方。
3.一种权利要求1所述基于平面复眼和同轴结构光的三维测量系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：投影仪（1）发出结构光（4）首先通过半透半反镜（2）的折射作用，照射在被测物体（5）表面；
步骤2：结构光（4）在被测物体（5）表面反射后，再次通过半透半反镜（2），成像在平面复眼（3）上，并将结构光（4）图像传输至计算机（6）；
步骤3：计算机（6）分析处理结构光（4）图像，恢复出结构光（4）图像的绝对相位分布，并根据三角关系计算出被测物体（5）的三维轮廓。
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