CN110864650A

CN110864650A - 基于条纹投影的平面度测量方法

Info

Publication number: CN110864650A
Application number: CN201911169024.9A
Authority: CN
Inventors: 孙长库; 周舵; 王鹏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-03-06

Abstract

本发明涉及三维视觉测量技术，为满足快速全场地对工件测量平面度的需求，解决平面度测量技术中测量速度、精度与环境适应性之间的矛盾。本发明，基于条纹投影的平面度测量方法,利用小型投影仪、工业相机和计算机实现，安装偏振片；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。本发明主要应用于三维视觉测量场合。

Description

基于条纹投影的平面度测量方法

技术领域

本发明涉及三维视觉测量技术，具体讲，涉及基于条纹投影的平面三维重建及其平面度测量系统。

背景技术

机械零件表面检测是工业领域中重要的一环。通过检测零件表面的形状、平面度、直线度和粗糙度等等形位误差，将实现对机械零件加工的质量控制。平面度指所有元素在一个理想平面上，而这一理想平面平行于两个包络所有元素的最小距离的两个平面。平面度误差则值得是表面元素对理想平面的偏离程度，是评价零件几何误差的重要指标。

三坐标测量机(CMM)是最常用的平面度测量技术，但其所评估的平面度误差受采样点的数目和相应的数据处理方法影响严重。另外，CMM采集采样的点的效率不高，不适用于在线测量。实际工业生产中常利用非接触式检测方法。例如西门子所开发的“SI-FLAT”电磁平面度测量系统将产品表面的形貌特征转化为电磁信号的响应幅度；另外一种电磁自感测量系统将形貌特征转化为电压信号。以上两种系统都需要测量系统与被测表面之间的相对运动所以并非全场测量。

光学测量方法可利用点、线和面结构光来测量物体表面特征。通过排布多个点投射器，可以快速获取表面多个采样点坐标。激光线技术通过扫描的方式也可以获得全场的形貌。干涉法和反射法应用面结构光可提供快速的全场测量结果，但是应用领域仅仅局限于高反光表面，并且其设备复杂昂贵。

光栅投影技术属于光学方法中的面结构光方法，该方法利用投影仪投射出光栅条纹，利用相机拍摄经过形貌调制后的变形条纹，可快速全场的测量出物体的表面形貌，且相机中每一个像素都能提供一个采样点。通过后续的数据处理算法，可以测量出被测表面的平面度。

发明内容

为克服现有技术的不足，满足快速全场地对工件测量平面度的需求，解决平面度测量技术中测量速度、精度与环境适应性之间的矛盾。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于条纹投影的平面度测量方法,利用小型投影仪、工业相机和计算机实现，包括下列步骤：安装偏振片以消除工件表面高反光区域引起的过曝影响；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。

具体步骤细化如下：

搭建测量系统

在投影仪和相机镜头前各安装一个偏振片，且两个偏振片的偏振方向互相垂直；之后投影仪投射条纹和相机拍摄条纹都需要利用偏振片消除镜面反射分量的光线，保留漫反射分量的有用信息；

使投影仪固定灰度间距投射0-255范围的亮度，检测相机拍摄的灰度；将两者之间做三阶曲线拟合，并计算其反函数；将反函数运用于将来的条纹投射，此时可采集到矫正后的条纹；

利用条纹投影技术快速地采集到大量的表面采样点

条纹投影技术包括：计算机向投影仪输送两组不同频率的条纹图像，由投影仪投射，并且每次投射由相机拍摄图像；利用四部相移的条纹图计算出经物体表面形状调制后的变形图的折叠相位；将折叠相位运用查找表法作展开，得到绝对相位；通过系统标定，确定绝对相位与测得物体高度之间的关系系数，并由此计算出物体的整体点云；

从平面中提取特定平面点云

采样点的三维数据坐标系的建立取决于标定过程中第一次标定板上的世界坐标系，将被测物摆放于平行于标定板的测量平台上，此时被测表面近似平行于世界坐标系的XOY平面；

由软件上圈定某几个采样点，根据采样点的坐标范围估算被测平面点云的包络坐标范围。之后，提取出所选取范围内的点云即为预测量的平面；

计算平面度误差

将大量的表面采样点运用最小二乘法LSM(Least Square Method)做处理，具体是寻找一个理想的平面作为参考，使得采样点对参考面的距离平方和最小；

计算采样点集对参考面的距离，寻找面两边的距离极值点，两个极值之差则为平面度误差。

从平面中提取特定平面点云步骤中，为了去除所提取出的被测平面周围的杂散噪声点，需要对图像中平面所在区域作开运算之后再腐蚀运算处理，此时剩余的点云被视为提取平面的有效区域。

本发明的特点及有益效果是：

1.本发明提出的平面度测量系统构造简单，仅需要一个小型投影仪和一台工业相机；测量方法实用易操作，在工业生产线上易于推广。

2.测量时间短且效率高可以实现全场测量。在一个测量市场内快速的获取全部的采样点，相机的每一个像素都能提供一个测量采样，能获得大量的充足的采样点。

3.计算所得平面度精确可靠，重复性好。运用计算机实现LSM算法，计算所得平面度误差约为35μm，测量标准差约为6μm。

附图说明：

图1是平面度误差测量系统示意图；

图2是测量工业零件过程中相机拍摄所得的两组四步相移的条纹图；

图3是重建出的工业零件全场表面的点云；

图4是重建出的标准量块的两个台阶面；

图5是对图3中整体点云作处理，所提取的平面。

具体实施方式

本发明旨在解决克服现有技术的不足，满足快速全场地对工件测量平面度的需求，解决平面度测量技术中测量速度、精度与环境适应性之间的矛盾。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于条纹投影技术的平面度测量系统，由一台小型投影仪、一台工业相机和一台计算机组成。实现测量系统包括下列步骤：安装偏振片以消除工件表面高反光区域引起的过曝影响；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对系统的相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。具体内容如下：

1.搭建测量系统

投影仪与相机组成的测量系统，对被测物表面的反射率敏感，当被测工件表面反光率差异性很大时，相机采集到的图像容易出现过曝或者过暗的区域。为了消除这一影响，本发明在投影仪和相机镜头前各安装一个偏振片，且两个偏振片的偏振方向互相垂直。之后投影仪投射条纹和相机拍摄条纹都需要利用偏振片消除镜面反射分量的光线，保留漫反射分量的有用信息。

投影仪与相机系统的非线性响应会对影响本系统的测量精度，本发明预先矫正了系统非线性响应，使测量精度提高。使投影仪固定灰度间距投射0-255范围的亮度，检测相机拍摄的灰度；将两者之间做三阶曲线拟合，并计算其反函数；将反函数运用于将来的条纹投射，此时可采集到矫正后的条纹。

2.利用条纹投影技术快速地采集到大量的表面采样点

条纹投影技术包括：计算机向投影仪输送两组不同频率的条纹图像，由投影仪投射，并且每次投射由相机拍摄图像；利用四部相移的条纹图计算出经物体表面形状调制后的变形图的折叠相位；将折叠相位运用查找表法作展开，得到绝对相位；通过系统标定，确定绝对相位与测得物体高度之间的关系系数，并由此计算出物体的整体点云。

3.从平面中提取特定平面点云

对于复杂物体的点云，往往具备多个平面或者其他特征，需要设将某个平面的点云分割出来。本发明中，采样点的三维数据坐标系的建立取决于标定过程中第一次标定板上的世界坐标系。所以本发明中，将被测物摆放于平行于标定板的测量平台上，此时被测表面近似平行于世界坐标系的XOY平面。

系统可以由软件上圈定某几个采样点，根据采样点的坐标范围估算被测平面点云的包络坐标范围。之后，提取出所选取范围内的点云即为预测量的平面。

为了去除所提取出的被测平面周围的杂散噪声点，需要对图像中平面所在区域作开运算之后再腐蚀运算处理。此时剩余的点云被视为提取平面的有效区域。

4.计算平面度误差

将大量的表面采样点运用最小二乘法(LSM)做处理，该方法的关键在于寻找一个理想的平面作为参考，使得采样点对参考面的距离平方和最小；

计算采样点集对参考面的距离(有正负数)，寻找面两边的距离极值点，两个极值之差则为平面度误差。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。本发明是新型的平面度误差测量系统，采用了光学条纹投影的方法，可以快速全场的获得被测平面的点云，利用LSM算法计算理想平面并最终计算平面度误差。实施例中包含了一个工业零件作为测量对象，以及一个精密的标准量块作为标准以验证其测量精度。

测量平面度需要大量的采样点来提高测量精度，传统方案无法快速全场的获取大量的采样点，限制了其在实际当中的应用。针对这一问题，本发明利用了光学条纹投影技术，可以在相机的视场下每一像素都能快速的对物体表面作采样；利用LSM算法对采样点作处理可以精确的计算物体的平面度。通过对一个零件在视场下摆放多个位置，分别计算平面度来验证本系统的重复性；通过一个已知平面度的量块台阶做测量，可以得出本系统的测量精度。

本发明实施例公开的基于条纹投影的新型的平面度测量系统，具体实施步骤如下：

1.搭建平面度测量系统

1.1本实例选用的小型投影仪的品牌型号为腾聚科技的Ⅲ型白/蓝光高分辨率LED投影仪，分辨率为1280×768；选用的相机为Basler acA2500-14gm，分辨率2592×1944。调整投影仪和相机镜头之间的距离约100mm，光轴之间夹角约为25°。

1.2.为降低投影仪和相机的灰度非线性响应对测量精度的影响，需对系统的非线性响应预先作矫正。矫正过程可描述为：使投影仪固定灰度间距投射0-255范围的亮度，检测相机拍摄的灰度；将两者之间做三阶曲线拟合，并计算其反函数；将反函数运用于将来的条纹投射，此时可采集到矫正后的条纹。

1.3.工业零件表面经常为铣削加工面，反光率强弱不均，容易使条纹图出现过曝或者过暗现象。为减弱这一影响，投影仪与相机镜头前需各安放偏振片，并使两个偏振片的偏振方向垂直。

1.4.测头部分安装于横梁上使其向下投影与拍摄，调整横梁的高度，使测头前端面距基准平台约300mm，并使相机与投影仪在此工作距离聚焦。此时投影仪和相机的公共视场约为130mm×210mm。

图1是由测量系统的示意图，条纹照射部分为公共视场，以一个工业零件作为本实施例的被测物。

2.投射以及采集条纹图，处理图像计算绝对相位

2.1.计算机向投影仪输送两组不同频率的条纹图像，由投影仪投射，并且每次投射由相机拍摄图像。所拍摄的条纹图像可由下式表示：

式中A(x,y)是背景光强，B(x,y)是调制度，n为相移次数，

是经由被测物表面调制后的相位信息。

图2是以工业零件作为被测物，所拍摄的两组不同频率的四部相移图像。其中(a)组有60个条纹，(b)组有13个条纹。

2.2.四步相移法计算折叠相位。由相机拍摄的条纹图像，由下式计算出折叠相位。此时的相位

是折叠在0～2π的范围内的，不能体现出物体表面的绝对高度变化。

2.3.将折叠相位展开成绝对相位φ(x,y)。可由下式计算φ(x,y)：

式中k(x,y)是代表条纹级次的整数。为了求解条纹级次，本实例采用了查找表法。

查找表方法是将两组不同频率的条纹图做差频，两组图中条纹数量f_h和f_l需满足互质关系，这样可以由下式计算得到

组合是独一无二的。

其中k_l、k_h为两组条纹图的级次，在查找表中寻找最接近

的整数，那么即可确定条纹图的级次，因此折叠相位得以展开得到绝对相位。

3.根据系统标定参数，计算被测物体表面的三维点云，找到被测平面

3.1.系统标定是标定绝对相位和被测物体高度的映射关系。该映射关系可由n阶多项式来表示：

其中u和v是图像上的像素坐标，p_i、q_i和r_i(i＝0,1,…m-1)是多项式的系数。

将标定板置于视场中并摆放多个位置，同时向标定板投射条纹并计算图像的绝对相位，可以获得大量的已知量。将这些已知量带入上述多项式，可以迭代求解出其系数。再次标定完成。

3.2.运用标定出的系数，求解物体表面的高度。对于图像中的每一个像素，利用其相位和标定关系，都可以求解出一个采样点的三维坐标。本实例采用的5百万像素相机将重建5百万个采样点的点云。去除无用的背景后，可以得到感兴趣区域的点云。

图3是重建出的工业零件全场表面的点云，图4是重建出的标准量块的两个台阶面。

3.3.提取出特定的平面。对于复杂物体的点云，往往具备多个平面或者其他特征，需要设定三维坐标范围，将某个平面的点云分割出来。本实例中所测量的工件量块点云可设定高度方向坐标范围为15.5mm至17.2mm。

图5是利用以上范围对图3中整体点云作限定，所提取的平面。

1.计算理想平面

将以上重建提取的平面采样点运用最小二乘法(LSM)拟合得到一个理想参考平面。参考面参数可由下式得到：

其中(a,b,c)即为平面的参数，x_i,y_i,z_i为采样点的三维坐标，m为采样点的个数。

2.计算平面度误差

平面度误差的定义是分属参考面两侧的极限点的偏差的总和。计算采样点集对参考面的距离(有正负数)，寻找面两边的距离极值点，两个极值之差则为平面度误差。

实施例的适用性

作为测量系统，其测量结果必须具备准确度和重复性要求才能具备适用性。本实施例中，选取了4个同一生产线同型号如图3所示的工业零件，每个在测量系统下任意摆放8个位置，测量某一个平面结果如表1。

表1(单位：μm)

测得4个零件的平面度的均值从140μm到156μm，多次测量，其测量标准差最大值为6.2μm。可证明本实施例有良好的重复性。

在本实施例中更换被测物为两个标准量块研合成的台阶。由于标准量块的制造允许误差为0.4μm，所以可以作为检测本测量系统准确度的标准。台阶标准量块标称值12mm，而图4所示点云中测得两台阶面之间的距离是12.0072mm，证明重建出的理想平面有较高精度。测得两个面的平面度分别为25和34μm，考虑到量块本身有1μm的最大平面度误差，所以本实施例的准确度偏差最大为35μm。

Claims

1.一种基于条纹投影的平面度测量方法，其特征是，利用小型投影仪、工业相机和计算机实现，包括下列步骤：安装偏振片以消除工件表面高反光区域引起的过曝影响；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。

2.如权利要求1所述的基于条纹投影的平面度测量方法，其特征是，具体步骤细化如下：

搭建测量系统：

利用条纹投影技术快速地采集到大量的表面采样点

从平面中提取特定平面点云：

计算平面度误差：

3.如权利要求2所述的基于条纹投影的平面度测量方法，其特征是，从平面中提取特定平面点云步骤中，为了去除所提取出的被测平面周围的杂散噪声点，需要对图像中平面所在区域作开运算之后再腐蚀运算处理，此时剩余的点云被视为提取平面的有效区域。