CN109059806A

CN109059806A - 一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法

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Publication number: CN109059806A
Application number: CN201810832927.XA
Authority: CN
Inventors: 张宗华; 常彩霞; 高楠
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: CN109059806B

Abstract

本发明公开了一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法。该装置包括计算机、红外投影仪、CCD红外相机、待测镜面物体、毛玻璃、表面带有圆环标识的反射镜、第一高精度水平移动导轨、固定板和第二高精度水平移动导轨。该方法包括如下具体步骤：初步搭建测量装置：1)初步搭建测量装置；2)对测量装置进行标定；3)完成测量装置的搭建；4)采集两个位置的条纹信息；5)求解镜面物体三维形貌深度信息，完成镜面物体三维形貌测量。

Description

一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法

技术领域

本发明涉及镜面以及高反光物体三维面形测量领域，具体为一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法。

背景技术

随着信息时代的到来，物体的三维形貌信息在各个行业有着越来越重要的作用。尤其是在精密制造业、汽车行业、航空航天等领域，快速、精确地获取物体的三维形貌信息日益成为人们关注和研究的热点及难点。近年来，光学三维测量技术(Optical Three-Dimensional Measurement Techniques)因其非接触、高精度、数据处理速度快、全场实时测量等特点已经在工业检测、生产制造、医疗行业、航空航天等多个领域得到广泛研究和应用。但是现有的光学三维测量技术主要应用于漫反射物体表面的测量，而针对镜面物体三维形貌测量的研究远远滞后于漫反射物体三维形貌测量，因此对镜面物体表面有效地进行三维精密测量具有重要的意义。

镜面物体表面三维形貌的测量技术是研究热点，也是难点。快速、有效、高精度的测量高反光物体仍存在很多未解决的问题。例如：

1、刘元坤,Evelyn,Olesch,等在《基于双频正交光栅一维相移的相位测量偏折术研究[J].中国激光,2015(3):264-269》中使用一个CCD相机、一个正弦条纹显示屏搭建了镜面物体测量系统，利用相位偏折测量术完成镜面物体表面形貌三维测量，通过变形正弦条纹的相位分布确定入射光线I和反射光线R的方向后，即可计算出法线方向，进一步可以计算出被测表面的梯度分布。根据计算出的被测表面梯度，由面形重建算法可计算出待测镜面物体的三维形貌信息。该方法需要对梯度进行积分计算以获取待测镜面物体的三维形貌，因此所获得的三维测量数据存在较高的累积误差，且无法测量非连续和大梯度物体的表面形貌。

2、Liu Y,Lehtonen P,Su X.等在《High-accuracy measurement for smallscale specular objects based on PMD with illuminated film[J].Optics and LaserTechnology,2012,44(2):459-462》中基于远心光路系统建立了一个新的数学模型，利用胶片代替LCD显示屏来显示条纹的低成本测量方案，用CCD相机分别记录由待测镜面物体表面和参考平面镜反射的条纹图像，经过相位解算之后，依据相位变化量与被测表面梯度的对应关系得到待测镜面物体的表面梯度信息，并由梯度信息积分运算恢复被测表面三维形貌信息。该方法利用梯度积分求取待测镜面物体的三维形貌无法避免累积误差，因此极大限制了测量表面的范围和精度，而且无法测量非连续表面物体的三维形貌。

通过上述文献可以看出，在利用条纹投影和条纹反射原理进行镜面物体的测量中，由于镜面表面具有反射特性，深度和梯度信息对测量结果同时存在影响，所以为了对非连续和大梯度物体进行测量，需要在避免进行梯度积分的情况下，直接建立深度和梯度二者之间的关系。而且现有的镜面物体测量方法采用可见光，可见光易受外部环境光的干扰，影响最终的测量结果。因此提供一种硬件结构简单、算法测量精度高、投影一种不易受环境光影响的光、易于标定且能够测量表面非连续的镜面物体测量方法为现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于该装置包括计算机、红外投影仪、CCD红外相机、待测镜面物体、毛玻璃、表面带有圆环标识的反射镜、第一高精度水平移动导轨、固定板和第二高精度水平移动导轨；所述计算机分别与红外投影仪、CCD红外相机、第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨连接；所述第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨固定在光学平台上；固定板安装在第一高精度水平移动导轨上；所述CCD红外相机和待测镜面物体固定在固定板上；CCD红外相机与表面带有圆环标识的反射镜之间的相对位置和角度固定；所述红外投影仪的投影光轴垂直于毛玻璃；毛玻璃平行于表面带有圆环标识的反射镜；表面带有圆环标识的反射镜安装在第二高精度水平移动导轨上，与第二高精度水平移动导轨的移动方向垂直。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)初步搭建测量装置：

红外投影仪正对着毛玻璃放置，红外投影仪的投影光轴垂直于毛玻璃；固定板安装在第一高精度水平移动导轨上；CCD红外相机固定在固定板上；表面带有圆环标识的反射镜安装在第二高精度水平移动导轨上，且与第二高精度水平移动导轨的移动方向垂直；CCD红外相机与表面带有圆环标识的反射镜之间的相对位置、角度固定，呈锐角放置；毛玻璃平行于表面带有圆环标识的反射镜，使毛玻璃、CCD红外相机和表面带有圆环标识的反射镜在空间上呈三角测量关系；

2)对测量装置进行标定：

2.1)为了实现镜面三维测量系统的测量，需要事先标定CCD红外相机、表面带有圆环标识的反射镜与毛玻璃组成的镜面三维测量系统，在CCD红外相机成清晰像的景深范围内，移动表面带有圆环标识的反射镜到N个位置，N≥2，在每个位置按照红外条纹绝对相位展开图生成方法得到N幅红外条纹绝对相位展开图，并选取一个已知位置作为参考位置，这个参考位置即为参考平面；

2.2)调节毛玻璃的角度使其与表面带有圆环标识的反射镜平行，标定毛玻璃与处于参考位置的表面带有圆环标识的反射镜之间的距离为d；

3)完成测量装置的搭建：

将待测镜面物体固定在固定板上，CCD红外相机和待测镜面物体能够一起移动，调节固定板的高度，使待测镜面物体能够反射毛玻璃上的图像；

4)采集两个位置的条纹信息：

利用第一高精度水平移动导轨同时移动CCD红外相机和待测镜面物体从一个位置到另一个位置，移动距离为Δd，CCD红外相机采集这两个位置的红外通道条纹图像；再按照红外条纹绝对相位展开图生成方法得到两个已知位置的红外条纹绝对相位展开图；

5)求解镜面物体三维形貌深度信息：

5.1)建立相位和待测镜面物体反光面的三维形貌深度信息的关系如式(1)所示：

公式(1)中：h为待测镜面物体反光面相对于参考平面的深度；均为参考平面的绝对相位值，和为CCD红外相机与待测镜面物体同时移动两个位置的红外条纹绝对相位展开图求得的；均为待测镜面物体的绝对相位值，和为CCD红外相机与待测镜面物体同时移动两个位置的红外条纹绝对相位展开图求得的；

5.2)根据步骤4)得到的两个已知位置的红外条纹绝对相位展开图求解公式(1)中的参数，进而利用公式(1)得到待测镜面物体相对于参考平面的三维形貌深度信息，完成镜面物体三维形貌测量。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、数据采集的速度快，采集效率高：利用红外投影仪投射红外条纹，CCD红外相机采集条纹信息。设计了CCD红外相机和红外投影仪之间的硬件与软件同步触发，红外投影仪投射一幅条纹图同时触发CCD红外相机采集这幅条纹图，后续红外投影仪再投射CCD红外相机紧接着采集，提高了采集效率。

2、开发了能直接建立相位和深度关系的新模型：传统方法是基于对镜面物体梯度的求解，再进行积分来恢复物体的三维形貌。本发明提出一种新的数学几何模型，利用特殊的位置关系和计算方法，将梯度信息隐含到公式中，直接建立相位和深度间关系，不需要积分运算便可直接获取镜面物体的三维形貌，避免了梯度角以及法向量方向对测量结果敏感的问题，解决了重建物体三维形貌时梯度积分运算给测量结果带来的累积误差和奇异性问题，从而能够准确的获得镜面物体的三维形貌数据。

3、设计巧妙：采用条纹投影与条纹反射法的测量原理直接得到镜面物体的表面三维形貌。

使用红外投影仪投射红外光(即引入红外通道)到毛玻璃表面来代替LCD显示屏显示条纹。因为LCD显示屏无法显示红外条纹图像且目前没有能直接显示红外条纹的显示屏，所以本发明利用毛玻璃扩散的特点，结合红外投影仪在其表面投射正弦直条纹，等同于显示器显示红外条纹图。

利用相位求解深度，需要计算经由两个不同位置的待测镜面物体反射毛玻璃上的相位信息，将CCD红外相机与待测镜面物体一起移动两个位置等同于相机采集到毛玻璃两个位置的条纹图像(实现双屏测量)，直接建立相位与深度信息的关系。由于待测镜面物体具有镜面反射特性，红外投影仪投射到毛玻璃表面的正弦直条纹受待测镜面物体表面梯度和深度的调制而发生变形。CCD红外相机将采集待测镜面物体反射的变形条纹图虚像传输给计算机，CCD红外相机与待测镜面物体经由第一高精度水平移动导轨一起移动到另一位置，CCD红外相机同样采集这个位置条纹图像并传输给计算机。计算机通过软件对这些变形的条纹图进行相位解调和三维形貌计算，最终恢复待测镜面物体的三维形貌。

本发明基于三角化的测量原理，设定一个成完善像的参考平面，利用参考镜面和被测镜面在CCD相机同一像素点的相位变化建立几何模型。

4、引入红外光测镜面：考虑到现有的条纹投影方法由于采用可见光，测量结果易受外部环境光影响，本发明选用对外部环境光具有较强免疫力的红外光，引入红外投影仪投射红外光即引入红外通道，用来精确地解算折叠相位，提高了测量精度。

5、本发明提供的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量方法，具有通用性、普遍性、而且具有易于推广性。

附图说明

图1为本发明基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法一种实施例的装置结构示意图；

图2为本发明基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置及方法一种实施例的测量原理示意图；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置(简称装置，参见图1)，其特征在于该装置包括计算机1、红外投影仪2、CCD红外相机3、待测镜面物体4、毛玻璃5、表面带有圆环标识的反射镜6、第一高精度水平移动导轨7、固定板8和第二高精度水平移动导轨9；所述计算机1分别与红外投影仪2、CCD红外相机3、第一高精度水平移动导轨7和第二高精度水平移动导轨9连接，计算机1用于控制红外投影仪2、CCD红外相机3、第一高精度水平移动导轨7和第二高精度水平移动导轨9，并存储、显示和处理所采集的图像，以获得相应的测量结果；所述第一高精度水平移动导轨7和第二高精度水平移动导轨9固定在光学平台上；固定板8安装在第一高精度水平移动导轨7上；所述CCD红外相机3和待测镜面物体4固定在固定板8上，使得CCD红外相机3和待测镜面物体4达到一起移动的目的；CCD红外相机3与表面带有圆环标识的反射镜6之间的相对位置、角度固定，呈锐角放置，CCD红外相机3用于采集由表面带有圆环标识的反射镜6反射后的变形图像；所述红外投影仪2的投影光轴垂直于毛玻璃5，红外投影仪2将计算机1所产生的条纹图像正对着投射到毛玻璃5表面；毛玻璃5平行于表面带有圆环标识的反射镜6；表面带有圆环标识的反射镜6安装在第二高精度水平移动导轨9上，与第二高精度水平移动导轨9的移动方向垂直。

优选地，毛玻璃5与表面带有圆环标识的反射镜6之间的距离≤130mm。

计算机1中安装有与红外投影仪2配套的投影软件、CCD红外相机3配套的拍照软件、图像处理软件和生成条纹的软件，这些软件为公知技术，可以商购获得。

红外投影仪2的型号是由美国德州仪器的DLP Light Commander，分辨率是1024×768，与计算机1通过USB线连接，其底部有四个旋转按钮，可以对其进行高度调节。

CCD红外相机3的型号是德国XIMEADE XIQ系列的MQ042RG-CM，分辨率为2048×2048像素，通过其USB3.0接口与计算机1千兆网接口连接，通过棒体夹持器与第一高精度水平移动导轨7连接。

所述毛玻璃5为美国Go Edmund生产的浮法毛玻璃扩散片，其对光有很好的扩散性，通过干板夹、旋转杆件和夹持器与光学平台上的精密手动旋转台连接。

表面带有圆环标识的反射镜6为表面带有9行12列的圆环标识的镜面，相邻标识在水平和垂直方向上的间距为15mm，其精度为1.0μm。

第一高精度水平移动导轨7的型号为北京大恒光电生产的GCD-203200M。

第二高精度水平移动导轨9的型号为北京大恒光电生产的GCD-203300M。

本发明同时提供了一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)初步搭建测量装置：

红外投影仪2正对着毛玻璃5放置，红外投影仪2的投影光轴垂直于毛玻璃5，红外投影仪2将计算机1所产生的条纹图像正对着投射到毛玻璃5表面；固定板8安装在第一高精度水平移动导轨7上；CCD红外相机3固定在固定板8上；表面带有圆环标识的反射镜6安装在第二高精度水平移动导轨9上，且表面带有圆环标识的反射镜6与第二高精度水平移动导轨9的移动方向垂直；CCD红外相机3与表面带有圆环标识的反射镜6之间的相对位置、角度固定，呈锐角放置；毛玻璃5平行于表面带有圆环标识的反射镜6，使毛玻璃5、CCD红外相机3和表面带有圆环标识的反射镜6在空间上呈三角测量关系；

2)对测量装置进行标定：

2.1)为了实现镜面三维测量系统的测量，需要事先标定CCD红外相机3、表面带有圆环标识的反射镜6与毛玻璃5组成的镜面三维测量系统，在CCD红外相机3成清晰像的景深范围内(即测量场范围内)，移动表面带有圆环标识的反射镜6到N个位置，N≥2，在每个位置按照红外条纹绝对相位展开图生成方法得到N幅红外条纹绝对相位展开图，并选取一个已知位置作为参考位置，这个参考位置即为参考平面；

2.2)调节毛玻璃5的角度使其与表面带有圆环标识的反射镜6平行，标定毛玻璃5与处于参考位置的表面带有圆环标识的反射镜6之间的距离为d；

3)完成测量装置的搭建：

将待测镜面物体4固定在固定板8上，CCD红外相机3和待测镜面物体4能够一起移动，调节固定板8的高度，使待测镜面物体4能够反射毛玻璃5上的图像；

4)采集两个位置的条纹信息：

利用第一高精度水平移动导轨7同时移动CCD红外相机3和待测镜面物体4从一个位置到另一个位置，如图1中的3’和4’(其中8’为固定板8移动的位置)，移动距离为Δd，CCD红外相机3采集这两个位置(移动前和移动后的位置)的红外通道条纹图像；再按照红外条纹绝对相位展开图生成方法得到两个已知位置的红外条纹绝对相位展开图；

5)求解镜面物体三维形貌深度信息：

5.1)建立相位和待测镜面物体4反光面的三维形貌深度信息(以下简称深度)的关系如式(1)所示：

公式(1)中：h为待测镜面物体4反光面相对于参考平面的深度；均为参考平面的绝对相位值，和为CCD红外相机3与待测镜面物体4同时移动两个位置的红外条纹绝对相位展开图求得的；均为待测镜面物体4的绝对相位值，和为CCD红外相机3与待测镜面物体4同时移动两个位置的红外条纹绝对相位展开图求得的；

5.2)根据步骤4)得到的两个已知位置的红外条纹绝对相位展开图求解公式(1)中的参数，进而利用公式(1)得到待测镜面物体4相对于参考平面的三维形貌深度信息，完成镜面物体三维形貌测量。

所述红外条纹绝对相位展开图生成方法，其特征在于具体步骤如下：

1)生成条纹图像：

通过计算机1利用现有方法生成条纹，根据测量范围的大小和测量精度的要求，选择测量中需投影的三组正弦直条纹，并且所选用的这三组正弦直条纹的条纹个数需要满足最佳三条纹个数选择，即每组正弦直条纹包含四幅彼此间有90°的相位移动的正弦直条纹图像；

通过计算机1生成条纹的现有方法的参考文献是《Zonghua Zhang,CatherineE.Towers,and David P.Towers.Time efficient color fringe projection system forsimultaneous 3D shape and color using optimum 3-frequency selection.OpticsExpress,2006,14(14):6444-6455》；

条纹采用MATLAB软件生成；需投影的三组正弦直条纹的个数分别是64、63和56；

最佳条纹个数选择方法为本领域公知方法，参考文献是《Zonghua Zhang,Catherine E.Towers,and David P.Towers.Time efficient color fringe projectionsystem for simultaneous 3D shape and color using optimum 3-frequencyselection.Optics Express,2006,14(14):6444-6455》；

2)红外投影仪2投射红外通道条纹图像：

将步骤2)产生的每幅正弦直条纹图像调制在红外通道中得到红外通道条纹图像，并利用红外投影仪2将调制得到的红外通道条纹图像投射在毛玻璃5上，得到变形的红外通道条纹图像，红外投影仪2的红外通道编码条纹个数为64、63和56；

3)红外通道条纹图像的采集：

通过CCD红外相机3采集表面带有圆环标识的反射镜6表面变形的红外通道条纹图像的虚像，传给计算机1进行局部相位展开；变形的红外通道条纹图像经过相位计算，将每组四幅变形的红外通道条纹图像采用四步相移法处理得到一幅红外通道折叠相位图，三组变形的红外通道条纹图像经过处理后得到三幅红外通道折叠相位图；然后再将三幅红外通道折叠相位图利用最佳三条纹选择法得到一幅红外条纹绝对相位展开图；

最佳三条纹选择法的参考文献是《Zonghua Zhang,Catherine E.Towers,andDavid P.Towers.Time efficient color fringe projection system for simultaneous3D shape and color using optimum 3-frequency selection.Optics Express,2006,14(14):6444-6455》。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于该装置包括计算机、红外投影仪、CCD红外相机、待测镜面物体、毛玻璃、表面带有圆环标识的反射镜、第一高精度水平移动导轨、固定板和第二高精度水平移动导轨；所述计算机分别与红外投影仪、CCD红外相机、第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨连接；所述第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨固定在光学平台上；固定板安装在第一高精度水平移动导轨上；所述CCD红外相机和待测镜面物体固定在固定板上；CCD红外相机与表面带有圆环标识的反射镜之间的相对位置和角度固定；所述红外投影仪的投影光轴垂直于毛玻璃；毛玻璃平行于表面带有圆环标识的反射镜；表面带有圆环标识的反射镜安装在第二高精度水平移动导轨上，与第二高精度水平移动导轨的移动方向垂直。

2.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于；CCD红外相机与表面带有圆环标识的反射镜之间呈锐角固定放置。

3.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于毛玻璃与表面带有圆环标识的反射镜之间的距离≤130mm。

4.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于红外投影仪的型号是由美国德州仪器的DLP Light Commander，与计算机通过USB线连接。

5.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于CCD红外相机的型号是德国XIMEADE XIQ系列的MQ042RG-CM，通过其USB3.0接口与计算机千兆网接口连接，通过棒体夹持器与第一高精度水平移动导轨连接。

6.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于所述毛玻璃为美国Go Edmund生产的浮法毛玻璃扩散片，通过干板夹、旋转杆件和夹持器与光学平台上的精密手动旋转台连接。

7.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于表面带有圆环标识的反射镜为表面带有9行12列的圆环标识的镜面，相邻标识在水平和垂直方向上的间距为15mm，其精度为1.0μm。

8.根据权利要求1所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量装置，其特征在于第一高精度水平移动导轨的型号为北京大恒光电生产的GCD-203200M；第二高精度水平移动导轨的型号为北京大恒光电生产的GCD-203300M。

9.一种基于红外条纹的镜面物体三维面形测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)初步搭建测量装置：

2)对测量装置进行标定：

3)完成测量装置的搭建：

4)采集两个位置的条纹信息：

5)求解镜面物体三维形貌深度信息：

10.根据权利要求9所述的基于红外条纹的镜面物体三维面形测量方法，其特征在于所述红外条纹绝对相位展开图生成方法，具体步骤如下：

1)生成条纹图像：

通过计算机生成条纹，根据测量范围的大小和测量精度的要求，选择测量中需投影的三组正弦直条纹，并且所选用的这三组正弦直条纹的条纹个数需要满足最佳三条纹个数选择，即每组正弦直条纹包含四幅彼此间有90°的相位移动的正弦直条纹图像；需投影的三组正弦直条纹的个数分别是64、63和56；

2)红外投影仪投射红外通道条纹图像：

将步骤2)产生的每幅正弦直条纹图像调制在红外通道中得到红外通道条纹图像，并利用红外投影仪将调制得到的红外通道条纹图像投射在毛玻璃上，得到变形的红外通道条纹图像，红外投影仪的红外通道编码条纹个数为64、63和56；

3)红外通道条纹图像的采集：

通过CCD红外相机采集表面带有圆环标识的反射镜表面变形的红外通道条纹图像的虚像，传给计算机进行局部相位展开；变形的红外通道条纹图像经过相位计算，将每组四幅变形的红外通道条纹图像采用四步相移法处理得到一幅红外通道折叠相位图，三组变形的红外通道条纹图像经过处理后得到三幅红外通道折叠相位图；然后再将三幅红外通道折叠相位图利用最佳三条纹选择法得到一幅红外条纹绝对相位展开图。