CN110702031A - 适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法，所述扫描装置包括基座，所述基座上设有旋转载物台，所述旋转载物台用于承载被测工件并辅助点云拼接，所述旋转载物台外侧设有与基座固定连接的环形照明光源以及台阶面，所述台阶面上不规则粘贴有标记点；所述扫描方法包括以下步骤：改变扫描补光组件的亮度；调整镜头的物理光圈；设置相机曝光时间和相机增益，采用多次曝光模式合成具有高动态范围的编码图像。本发明降低深色物体表面的扫描成本，消除喷涂显影剂带来的测量精度和腐蚀污染影响，显著提升深色物体表面的测量效率和完整性，有效解决传统三维扫描仪无法测量深色物体表面的技术难题。

Description

适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法

技术领域

本发明涉及逆向工程技术领域，尤其涉及适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法。

背景技术

结构光三维扫描仪凭借着精度高、速度快、非接触、无损伤等优点，已经成为三维测量方法中的主流技术，但对测量对象和测量环境存在诸多要求，比如：无法测量深色表面，因为三维扫描仪的结构光发生器投射到深色物体表面的光线被吸收，所以相机传感器无法监测到光学信号，三维扫描仪的相机传感器相当于人类的眼睛，如果不能提供足够多的光学信号，人眼将无法看清深色物体表面轮廓，同理，三维扫描仪也就无法正常测量。

目前针对深色物体表面的解决方案主要有两种，一种是采用接触式测量设备，常见的接触式测量设备有三坐标测量机、关节臂测量机，但接触式测量设备普遍存在测量速度慢、测量费用昂贵、不能测量易形变工件，使用环境要求严格等情况；另外一种是喷涂显影剂，使深色物体表面变为亚光白色，但喷涂后存在精度较低、不易清洗、腐蚀工件、污染环境等情况，综上所述，两种方案并不能完全解决测量深色物体表面的技术难题。

经公开资料查询，中国专利(申请号201710689618.7)公开了一种适用于强反射表面的三维扫描测量方法，采用一种基于DMD相机的三维扫描测量装置，通过四步相移法投射正弦光栅图案，利用DMD相机获取自适应高动态范围图像，最后使用光栅投影的相位法实现三维解算。该方法从硬件上解决光亮表面的入射光线非漫反射问题，针对反射率较低的曝光不足区域，采取调整镜头光圈进行弥补，但现实中调整镜头光圈并不能完全解决曝光不足问题。

经公开资料查询，中国专利(申请号201610402874.9)公开了一种适用于光亮表面的三维测量方法，根据均匀光图案合成的图像和坐标映射，自适应调节条纹图案中每个像素点的最佳投射灰度值，获取清晰的条纹图案。该方法从算法上解决光亮表面的曝光过度和不足问题，针对反射率较低的曝光不足区域，采用了最大灰度值投射进行解决，但现实中最大灰度值投射并不能完全解决曝光不足问题，因为测量深色表面不仅和软件算法有联系，还和产品硬件、扫描环境息息相关。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法，本发明降低深色物体表面的扫描成本，消除喷涂显影剂带来的测量精度和腐蚀污染影响，显著提升深色物体表面的测量效率和完整性，有效解决传统三维扫描仪无法测量深色物体表面的技术难题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

适用于深色表面的三维扫描装置，包括基座，所述基座上设有旋转载物台，所述旋转载物台用于承载被测工件并辅助点云拼接，所述旋转载物台外侧设有与基座固定连接的环形照明光源以及台阶面，所述台阶面上不规则粘贴有标记点；

所述基座上设有定向照明光源，定向照明光源的光路与三维扫描仪采集光路的夹角为30°-60°；所述环形照明光源与定向照明光源用于增强深色物体表面亮度。

本申请另一方面提供上述的的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，包括以下步骤：

A.扫描环境调整：将被测工件放置在旋转载物台上，根据被测工件表面的颜色深浅程度，调整环形照明光源和定向照明光源亮度，直至被测工件的灰度图像最大亮度显示，且亮度值处于漫反射区域；

B.硬件标定调试：调整镜头后端的物理光圈，使图像亮度值处于漫反射区域，然后拧紧镜头后端的锁紧旋钮，通过改变相机传感器的进光量，提升相机传感器获取深色物体表面的灰度值，然后使用标定板在测量空域内完成校准步骤，测量软件根据标定板的空间坐标，计算得到校准信息；

C.工件测量：测量软件中设置相机曝光时间和相机增益，使被测工件的曝光过度红斑刚好消失，采用多次曝光算法进行三维测量，转动旋转平台测量下一个物体表面区域，直至测量出整个物体表面数据。

进一步方案为，所述步骤C中的多次曝光算法是根据深色物体表面特性优化而成，具体算法流程如下：

第一次曝光，设置相机曝光时间t1和相机增益Q1，采集图像P1，若被测工件表面的所有图像灰度值Y1∈[Y_min，Y_max]，则多次曝光模式结束；第二次曝光，若图像P1中存在灰度值Y1小于Y_min，则针对该区域设定相机曝光时间t2和相机增益Q2，采集图像P2，得到被测工件表面的图像灰度值Y2∈[Y_min，Y_max]，同时将Y1区域的相位进行截断；若图像P2中存在灰度值Y2小于Y_min，同理进行第三次曝光、第四次曝光，直至得到整个深色物体表面的相位；其中Y_min是漫反射区域最低亮度值，在YCbCr色彩空间中取值为16，Y_max是漫反射区域最大亮度值，在YCbCr色彩空间中取值为170。

进一步方案为，所述步骤A中的环形照明光源采用无频闪LED灯，0-100％的亮度无极调节，选柔光模式，所述定向照明光源采用无频闪LED灯，10-100％的亮度无极调节，选柔光模式，光源数量为1-4个，单个或多个灯头从不同球面角度把光线照射到被测工件上，既保证相机视野有足够的亮度，同时又不会产生明显的阴影。

进一步方案为，所述步骤B中的镜头光圈用于控制光线进入通路的大小，镜头光圈调整范围为F1.4-F16范围。

进一步方案为，所述步骤C中的旋转载物台采用手动旋转或自动旋转模式，每次转动旋转平台的角度为10°-45°，且保证拼接的公共标记点不少于4个且公共标记点为不规则图案。

进一步方案为，所述步骤C中的多次曝光模式通过投射不同亮度的结构光，使用不同曝光时间和增益完成光栅图像采集，利用图像拼接算法合成具有高动态范围的编码条纹，从而保证在一次测量过程中同时得到不同颜色区域的点云数据。

本发明的有益效果在于：

本发明的深色物体表面的三维扫描方法可适用于所有结构光三维扫描仪，包括白光三维测量系统、蓝光三维测量系统等，配合定制三维扫描装置，优化多次曝光的测量算法，改变三维扫描软件功能参数，提升相机传感器获取深色物体表面的灰度值，更加清晰地采集结构光条纹在物体表面的形状变化，有效地解决传统三维扫描仪无法测量深色物体表面的技术难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种适用于深色表面的三维扫描装置示意图。

图中，1基座，2环形照明光源，3被测工件，4定向照明光源，5标记点，6旋转载物台，7台阶面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在任一实施例中，如图1所示，本发明的适用于深色表面的三维扫描装置，包括基座1，所述基座1上设有旋转载物台6，所述旋转载物台6用于承载被测工件3并辅助点云拼接，所述旋转载物台6外侧设有与基座1固定连接的环形照明光源2以及台阶面7，所述台阶面7上不规则粘贴有标记点5；

所述基座1上设有定向照明光源4，定向照明光源4的光路与三维扫描仪采集光路的夹角为30°-60°；所述环形照明光源2与定向照明光源4用于增强深色物体表面亮度。

在一个具体实施例中，本发明的上述的的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，包括以下步骤：

A.扫描环境调整：将被测工件放置在旋转载物装置上，根据被测工件表面的颜色深浅程度，调整环形照明光源和定向照明光源亮度，直至被测工件的灰度图像最大亮度显示，且亮度值处于漫反射区域；

B.硬件标定调试：调整镜头后端的物理光圈，使图像亮度值处于漫反射区域，然后拧紧镜头后端的锁紧旋钮，通过改变相机传感器的进光量，提升相机传感器获取深色物体表面的灰度值，然后使用标定板在测量空域内完成校准步骤，测量软件根据标定板的空间坐标，计算得到校准信息；

C.工件测量：测量软件中设置相机曝光时间和相机增益，使被测工件的曝光过度红斑刚好消失，采用多次曝光算法进行三维测量，转动旋转平台测量下一个物体表面区域，直至测量出整个物体表面数据。

具体方法流程如下：

第一步扫描环境调整，将被测工件3放置在旋转载物台6上，在台阶面7以不规则形态粘贴标记点5，打开环形照明光源2和定向照明光源4，打开COMET plus 9.7软件的相机视窗，调整环形照明光源2和定向照明光源4的无极调速旋钮，直至被测工件3灰度图像最大亮度显示，但不能出现曝光过度的红色光斑；

第二步硬件标定调试，在COMET plus 9.7软件中将结构光发生器亮度拉至最大，调节镜头后端的光圈，使被测工件3的曝光红斑刚好消失，最后拧紧镜头后端的锁紧旋钮，选择标定板范围，实时调整温度范围，使用标定板在测量空域内完成9个标准校准步骤，测量软件根据标定板空间坐标，计算得到校准信息；

第三步工件测量，在测量软件中设置相机曝光时间和相机增益，使被测工件3的曝光红斑刚好消失，采用多次曝光模式进行工件扫描，然后以45°的角度转动旋转平台1，测量下一个物体表面区域，直至测量出整个物体表面数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.适用于深色表面的三维扫描装置，其特征在于，包括基座，所述基座上设有旋转载物台，所述旋转载物台用于承载被测工件并辅助点云拼接，所述旋转载物台外侧设有与基座固定连接的环形照明光源以及台阶面，所述台阶面上不规则粘贴有标记点；

所述基座上设有定向照明光源，定向照明光源的光路与三维扫描仪采集光路的夹角为30°-60°；所述环形照明光源与定向照明光源用于增强深色物体表面亮度。

2.如权利要求1所述的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.扫描环境调整：将被测工件放置在旋转载物台上，根据被测工件表面的颜色深浅程度，调整环形照明光源和定向照明光源亮度，直至被测工件的灰度图像最大亮度显示，且亮度值处于漫反射区域；

B.硬件标定调试：调整镜头后端的物理光圈，使图像亮度值处于漫反射区域，然后拧紧镜头后端的锁紧旋钮，通过改变相机传感器的进光量，提升相机传感器获取深色物体表面的灰度值，然后使用标定板在测量空域内完成校准步骤，测量软件根据标定板的空间坐标，计算得到校准信息；

C.工件测量：测量软件中设置相机曝光时间和相机增益，使被测工件的曝光过度红斑刚好消失，采用多次曝光算法进行三维测量，转动旋转平台测量下一个物体表面区域，直至测量出整个物体表面数据。

3.如权利要求2所述的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述步骤C中的多次曝光算法是根据深色物体表面特性优化而成，具体算法流程如下：

第一次曝光，设置相机曝光时间t1和相机增益Q1，采集图像P1，若被测工件表面的所有图像灰度值Y1∈[Y_min，Y_max]，则多次曝光模式结束；第二次曝光，若图像P1中存在灰度值Y1小于Y_min，则针对该区域设定相机曝光时间t2和相机增益Q2，采集图像P2，得到被测工件表面的图像灰度值Y2∈[Y_min，Y_max]，同时将Y1区域的相位进行截断；若图像P2中存在灰度值Y2小于Y_min，同理进行第三次曝光、第四次曝光，直至得到整个深色物体表面的相位；其中Y_min是漫反射区域最低亮度值，在YCbCr色彩空间中取值为16，Y_max是漫反射区域最大亮度值，在YCbCr色彩空间中取值为170。

4.如权利要求2所述的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述步骤A中的环形照明光源采用无频闪LED灯，0-100％的亮度无极调节，选柔光模式，所述定向照明光源采用无频闪LED灯，10-100％的亮度无极调节，选柔光模式，光源数量为1-4个。

5.如权利要求2所述的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述步骤B中的镜头光圈用于控制光线进入通路的大小，镜头光圈调整范围为F1.4-F16范围。

6.如权利要求2所述的适用于深色表面的三维扫描装置及扫描方法，其特征在于，所述步骤C中的旋转载物台采用手动旋转或自动旋转模式，每次转动旋转平台的角度为10°-45°，且保证拼接的公共标记点不少于4个且公共标记点为不规则图案。

7.如权利要求2所述的适用于深色表面的三维扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述步骤C中的多次曝光模式通过投射不同亮度的结构光，使用不同曝光时间和增益完成光栅图像采集，利用图像拼接算法合成具有高动态范围的编码条纹，从而保证在一次测量过程中同时得到不同颜色区域的点云数据。

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