CN108534716A - 针对圆筒内壁检测的结构光光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了针对圆筒内壁检测的结构光光栅，由粗细不同的激光条组成，光栅包含n组相同的激光条，其中每一组包含粗细不同的激光条，粗的激光条易于辨识，用于粗定位，实现折断光条间的相互对应，细的光条便于精确提取激光条的中心线，用于精确计算折断激光条之间的距离；细的激光条宽度在几微米左右，粗的激光条宽度在几十微米左右，相邻的激光条之间的间隔在几十微米左右；该结构光光栅的应用，在基于结构光测量精度高的基础上，通过采用粗细不同的激光条按规律排布，简化了检测过程的复杂程度。

Description

针对圆筒内壁检测的结构光光栅

技术领域

本发明涉及针对实物的三维检测领域，具体是针对圆筒内壁检测的结构光光栅。

背景技术

目前，针对实物的三维检测技术，按照测量传感器是否与实物表面接触，可以分为接触式测量和非接触式测量两大类。

在触式测量中，以三坐标测量机最具代表性，三坐标测量机的基本操作是对“点”的测量，通过三坐标测量机上的探针接触被测物体表面，并沿着表面进行移动；在移动过程中，探针随着被测物体表面起伏变化而上下移动，不断记录下每一个点的位置；然后计算这些点之间的距离和位置关系，从而完成对被测点三维坐标的计算，获取到接触点的三维坐标。接触式测量的最大优点在于测量精度高，最高可达0.5μm；但缺点也十分明显，对于有深孔、特征几何尺寸多、只有少量自由曲面的规则零件有很好的测量效果。但是其测量速度慢、效率低；不能对超薄物体和软质材料进行测量；对于测头无法触及的表面无法获取三维数据，并且不易获取连续的三维坐标点。

随着科技的发展及高效率测量的需求，以计算机数字图像处理为主要手段的非接触式测量方式应运而生。该类方法主要基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，通过特定的算法，将一定的物理模拟量转化为实物表面的三维数据点。常用的非接触式测量方式可分为主动视觉和被动视觉两种：主动式视觉方法需要依靠一个专门的光源来提供被测物周围的亮度，使系统获取更多有用信息；被动式视觉方式无特殊光源，只接受被测物体表面的反射信息。非接触式测量法具有很多优点：非接触性、数字化速度快、可对柔软和易碎物体进行测量等。常见的主动式视觉方法有结构光法等；被动式视觉方法主要采用立体视觉法。其中立体视觉法又称为双目视觉法，是基于视差原理，由两台摄像机拍摄的多幅图像获取被测物体三维数据的方法。受限于圆筒内部有限的空间，立体视觉法不适用于此类测试情况。

结构光法是基于光学三角法测量原理，由激光投射器或其他可控的投影设备向被测物体表面投射特定的光学图案（点状、线条状或者平面），再由CCD相机拍摄物体表面的图案，最后通过图像处理相关算法提取其中包含的有用信息。

点状结构光每次投射一个结构光点到被测物体表面，通过控制所投射结构光图案的变换或者控制结构光投射设备运动，实现结构光点对整个被测物体表面的扫描。但由于每次投射只能获取一个空间点的三维坐标，导致所需拍摄和处理的图像数目随着被测物体表面的增大而急剧增加，测量效率偏低。线条状结构光采用线光源代替点光源，所投射的结构光图案为具有一定宽度的激光条。每投射一幅线结构光图像，便可获得一整根光条特征点上的被测物体表面的三维信息，故其测量效率相对于点结构光有了大幅度提高，图像拍摄量和处理时间大大降低。面结构光法通过将二维图像投射到被测物体表面，无需扫描即可完成针对整个被测物体表面形貌的测量，测量效率得到了进一步提升。

然而面结构光检测设备更加复杂且庞杂，难以应用于圆筒内有限的物理空间，所以在圆筒类部件内部进行检测过程中需要采用线结构光进行检测。通过将一定模式的结构光投射在被测物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。另一位置的摄像机捕捉该三维图像，从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和被测物体表面形廓。直观上，沿光条显示出的位移（或偏移）与物体表面高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，根据结构光视觉传感器的系统参数，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面三维形廓。结构光三维视觉测量以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业环境中得到了广泛的应用。

发明内容

本发明针对上述技术以及点状、面状结构光存在的缺陷，提供了一种针对圆筒内壁检测的结构光光栅设计，以解决上述背景技术中提出的问题，该光栅结构简单，精度高，在深孔类零部件内壁检测等领域有很高的应用价值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

针对圆筒内壁检测的结构光光栅，由粗细不同的激光条组成，光栅包含n组相同的激光条，其中每一组包含粗细不同的激光条，粗的激光条易于辨识，用于粗定位，实现折断光条间的相互对应，细的光条便于精确提取激光条的中心线，用于精确计算折断激光条之间的距离。

作为本发明进一步的方案：细的激光条宽度在几微米左右，粗的激光条宽度在几十微米左右，相邻的激光条之间的间隔在几十微米左右。

作为本发明再进一步的方案：在投射到圆筒内壁表面需要与凹槽存在一定角度，原因在于：当光栅只有与凹槽存在较大角度时，采集到的结构光条纹才会出现折断，并且折断量与凹槽的形状和深度近似呈线性关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、该结构光光栅采用粗细不同的激光条按照一定规律进行排布，同时兼顾了精确测量和便于识别对应激光条；

2、采用结构光检测技术检测圆筒内壁表面情况，易于实现精度的显著提高，将精度提高到微米（μm）水平。

该结构光光栅的应用，在基于结构光测量精度高的基础上，通过采用粗细不同的激光条按规律排布，简化了检测过程的复杂程度。

附图说明

图1为针对圆筒内壁检测的结构光光栅的结构示意图。

图2为针对圆筒内壁检测的结构光光栅应用时得到的结构光图像。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，针对圆筒内壁检测的结构光光栅，该结构光光栅由粗细不同的激光条组成，如图1所示。光栅包含n组相同的激光条，其中每一组包含m根细激光条纹和1根粗激光条纹，粗的激光条易于辨识，用于粗定位，实现折断光条间的相互对应，细的光条便于精确提取激光条的中心线，用于精确计算折断激光条之间的距离，如图2所示。粗的激光条易于辨识，细的激光条通过计算与粗的激光条之间间隔的激光条数目进行对应。

光栅中的所有激光条相互平行；为便于检测被测对象内壁凹槽，在投射中需要将光栅中的激光条以某一确定角度投射，实现针对凹槽的精确测量。

本发明可以应用到现代工业针对深孔类零部件内表面加工程度的检测过程中，以工业中常用到的某一深孔类零部件为例，通过投射结构光到部件内壁，进而采集结构光图像，如图2所示。

从图2中可清楚分辨出粗结构光条纹，任意选取粗条纹间的3根细结构光条纹用于精确分析折断距离的细结构光条纹。由于图像中折断的结构光光条之间的距离与对应的部件内壁凹槽实际深度成比例，利用计算机中软件计算图像中折断的结构光光条之间的距离约为29.2个像素，结合实际深度与图像距离之间的换算关系，推算得到部件内壁的实际深度约为1mm。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.针对圆筒内壁检测的结构光光栅，其特征在于，由粗细不同的激光条组成，光栅包含n组相同的激光条，其中每一组包含粗细不同的激光条，粗的激光条易于辨识，用于粗定位，实现折断光条间的相互对应，细的光条便于精确提取激光条的中心线，用于精确计算折断激光条之间的距离。

2.根据权利要求1所述的结构光光栅，其特征在于：细的激光条宽度在几微米左右，粗的激光条宽度在几十微米左右，相邻的激光条之间的间隔在几十微米左右。

3.根据权利要求1所述的结构光光栅，在投射到圆筒内壁表面需要与凹槽存在一定角度，原因在于：当光栅只有与凹槽存在较大角度时，采集到的结构光条纹才会出现折断，并且折断量与凹槽的形状和深度近似呈线性关系。