CN112595264A - 一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统，属于三维测量技术领域。本发明分别搭建用于接触待测量的汽车高反光表面的触觉前端，以及用于测量形变的视觉后端，组合后构成视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统；将该触觉前端中不透明涂料层接触待测量表面并产生形变，然后视觉后端的投影仪向不透明涂料层投影编码图像得到对应的投影图像，通过计算投影图像上每个点的世界坐标获得待测高反光表面的点云，最终得到待测高反光表面的三维形貌的检测结果。本发明方法测量全面，后期处理简单，精度高，且测量系统安装简单，成本低，不会损坏被测表面。

Description

一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，特别提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统。
背景技术
随着现代工业制造技术和测量技术的发展，大型零部件的三维形貌特征测量已经成为三维测量领域的重要方向。在汽车行业中，汽车零部件及整车厂商尤其关注如何对产品的三维形貌特征进行测量，以提高产品质量，应对严苛的市场竞争。现有的三维测量主要包括三坐标测量仪和基于视觉技术的测量系统，前者通过触发零件表面获得高精度尺寸信息，但是检测效率低、自动化程度低，无法满足批量测量需求；后者以各类视觉技术为基础，通过拍摄被测物体进行计算以得到三维信息，具有速度快、效率高的优点，结构光技术便是其中一种。
结构光测量技术主要包括如下步骤：光源发生器主动投射带有编码的图像到被测物体的表面上，物体表面的凹凸形状对编码图像进行调制。相机采集调制后形变的图像，通过相机和光源发生器的位置关系及投影图案的形变程度，重建被测物体的三维形貌。这种技术硬件配置简单、测量精度高、速度快、成本低，已经被工业生产大量采用，以测量汽车整车及各零部件的三维形貌特征。但是，这种技术仍然存在不足。汽车零部件经过铣削或整车经过涂装后，表面较光滑、反射率较大，形成高反光区域，采集到的图像中出现过曝光，使得重建结果中出现大范围数据空洞，影响测量效果。解决这一问题的一种方法是采用高动态范围技术，如多重曝光或加入偏振滤光片等，增加图像的动态范围，减弱过曝光现象，但是这类技术较为复杂，需要复杂的后期处理过程或仔细调整物体和光路的相对位置，增加硬件复杂性，严重影响测量速度；另一种方法是在高反光表面喷涂粉末，覆盖反射比高的区域，以使光线出现漫反射，然而测量后清洁工件上的粉末时可能损坏工件表面，造成额外损失。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统。本发明方法测量全面，后期处理简单，精度高，且测量系统安装简单，成本低，不会损坏待测表面。
本发明提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)搭建触觉前端；
所述触觉前端包括：不透明涂料层、透明弹性体、透明背板和固定框架；所述透明背板一面连接在固定框架上，透明背板的另一面均匀涂抹透明粘胶后与透明弹性体的一面连接，透明弹性体的另一面均匀涂抹不透明涂料层；
2)搭建视觉后端；
所述视觉后端包括：相机、投影仪、固定底座和计算机；所述相机和投影仪分别固定在固定底座上，相机镜头和投影仪镜头均朝向同一方向，相机和投影仪的光轴保持在设定的距离且平行，该距离使得相机和投影仪的共视区面积大于触觉前端中透明弹性体的最大表面的面积；相机和投影仪分别连接计算机；
其中，相机和投影仪固定后，对相机和投影仪进行标定，分别获得相机的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数，及投影仪的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数；
3)利用步骤1)搭建的触觉前端和步骤2)搭建的视觉后端构建视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统；
将步骤1)搭建的触觉前端放置在步骤2)搭建的视觉后端中相机和投影仪的上方，使得相机镜头和投影仪镜头正对触觉前端中透明背板未与透明弹性体连接的一面，调节透明背板和固定底座的距离，使得不透明涂料层、透明弹性体、透明背板全部处于相机和投影仪的共视区内，调节完成后对固定框架和固定底座进行固定连接，视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统构建完毕；
4)使用步骤3)构建的测量系统中触觉前端的不透明涂层接触待测高反光表面并对测量系统施加压力，使不透明涂层在接触待测高反光表面后发生形变；
5)采用n步相移法，利用计算机生成带有编码的n张编码图像，投影仪按顺序投射每张编码图像并透过透明背板和透明弹性体，该编码图像在不透明涂料层上发生反射和相移，生成对应n张的相移图像；
6)利用相机采集步骤5)生成的n张相移图像并传输至计算机，计算机对采集到的n张相移图像进行解码，得到每张相移图像上位于同一位置的各点对应的相位；
7)利用步骤2)对相机和投影仪进行标定得到的标定结果以及步骤6)得到的各点对应的相位，求解相移图像中各点世界坐标，获得待测高反光表面的点云，最终得到待测高反光表面的三维形貌的检测结果。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明提出的一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法，避免了高反光表面过曝光对三维形貌测量的影响；系统结构安装简单，成本低，测量方法无损、速度快、精度高
本发明系统的触觉前端采用不透明涂料层和透明弹性体将高反光表面的三维形貌变化重新映射在不透明涂料层上，对测量表面无损且提升了可测量性，避免了直接光学测量时，过曝光对测量结果的影响，且仅由三种可方便获得的材料构成，安装简单、成本低；
本发明系统的视觉后端采用结构光技术，具有速度快、精度高、稳定性强的优点，且仅需投影仪和相机组成，安装简单，成本低
本发明可以用于测量汽车零部件或整车高反光表面的三维形貌，可作为设计开发、生产制造过程中客观评价产品质量的指标，对提升产品质量有着重要作用。
附图说明
图1是本发明的一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法的整体流程图。
图2是本发明中触觉前端结构示意图。
图3是本发明中视觉后端结构示意图。
图4是本发明中组合后的视触觉测量系统结构示意图。
图5是本发明实施例的一种使用场景示意图。
图6是本发明实施例的三步相移法的投影图案示意图。
图中，1不透明涂料层，2透明弹性体，3透明背板，4固定框架，5相机，6投影仪，7固定底座，8视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统；9待测量的有部分形变的汽车高反光表面。
具体实施方式
本发明提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法及系统，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。以下实施例用于说明本发明，但不限于本发明的范围。
本发明提出一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法，本发明中所述汽车高反光表面指的是汽车工业中喷涂后的车身、抛光后的模具等的表面，这类表面具有高反射率，使得相机直接采集表面图像时发生光强度饱和现象(即被采集到的图像中，部分光强度极高的区域的像素被限制在相机的最大量化值)。该方法整体流程如图1所示，包括以下步骤：
1)搭建触觉前端，该触觉前端用于接触待测量的汽车高反光表面；
所述触觉前端结构如图2所示，包括：不透明涂料层1、透明弹性体2、透明背板3和固定框架4；所述透明背板3一面通过螺纹连接在固定框架4上，透明背板3的另一面均匀涂抹透明粘胶后与透明弹性体2的一面连接，透明弹性体2的另一面均匀涂抹不透明涂料层1；
本发明中，不透明涂料选择标准为对可见光或红外光频率下折射率大于50％且颗粒小于10微米的涂料，且可以涂抹1～5层构成不透明涂料层1，一般商用颜料均可满足此要求，也可自行制作；透明弹性体2采用平板样式的在可见光或红外光频率下透光率大于80％的弹性材料，包括但不限于硅橡胶，聚氨酯，热塑性弹性体，增塑溶胶，天然橡胶，聚异戊二烯，聚氯乙烯，明胶，水凝胶或它们的混合物，硬度在邵氏00硬度5～邵氏A硬度80，厚度原则上应当大于被测表面最低点与最高点间的高度，一般选取1mm～5mm，其余厚度也可以采用；透明粘胶选择可见光或红外光频率下透光率大于80％的任何增粘剂或粘合剂，包括但不限于冷杉胶、环氧树脂、有机硅等；透明背板3选择在可见光或红外光频率下透光率大于80％的硬质材料，包括但不限于玻璃，聚碳酸酯，丙烯酸，聚苯乙烯，聚氨酯，光学透明环氧树脂等刚性光学透明材料，也可以使用硅树脂，例如加成固化的硅树脂，一般选择1mm～5mm，其余厚度在保证结构强度的前提下也可采用；固定框架4为任意可起到支撑作用、不会对透明弹性体2和弹性背板3的透明度产生影响的刚性材料。
本实施例中，不透明涂料选取Smooth-On EcoFlex加成固化硅胶且邵氏硬度为00-10、Smooth-On Silc Pig白色硅胶着色颜料和Smooth-On NOVOCS有机硅溶剂混合制取，使用喷枪均匀喷涂3层，构成不透明涂料层1；透明弹性体2选取Smooth-On Solaris加成固化硅胶，制成底面为20cm宽的正方形且厚度为2mm的长方体；透明粘胶选取Smooth-On Sil-Poxy有机硅粘合剂；透明背板3选择丙烯酸材料，底面为30cm宽的正方形且厚度为3mm的长方体；固定框架4为普通铝合金材质。
2)搭建用于测量形变的视觉后端；
所述视觉后端结构如图3所示，包括：相机5、投影仪6、固定底座7和计算机；所述相机5和投影仪6分别通过螺纹连接固定在固定底座7上，相机5镜头和投影仪6镜头均朝向同一方向，相机5和投影仪6的光轴保持在设定的距离且平行，这一距离要使得相机5和投影仪6的共视区面积大于步骤(1)搭建的触觉前端中透明弹性体2的最大表面的面积；相机5和投影仪6分别连接计算机；其中，相机5和投影仪6固定后，对相机5和投影仪6进行标定，分别获得相机5的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数，及投影仪6的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数；
本发明中视觉后端的所有部件均可采用常规型号，固定底座选择刚性材料即可。本实施例中，相机选取丹麦JAI公司的GO-5000M-USB；投影仪选取德州仪器DLPLightCrafter4500；投影仪和相机间距约15cm；计算机为Y720；固定底座为普通铝合金材质；本实施例中对于相机和投影仪的标定过程，采用MATLAB软件的Camera CalibrationToolbox相机标定工具包对相机和投影仪进行标定，得到相机的内参矩阵
Figure BDA0002867376290000051
外参矩阵
Figure BDA0002867376290000052
(Rc是相机的旋转矩阵、tc是相机的平移矢量、αxc是相机的u轴的尺度因子、αyc是相机的v轴的尺度因子、u0c是相机的u轴主点坐标、v0c是相机的v轴主点坐标)和投影仪的内参矩阵
Figure BDA0002867376290000053
外参矩阵
Figure BDA0002867376290000054
(Rp是投影仪的旋转矩阵、tp是投影仪的平移矢量、αxp是投影仪的u轴的尺度因子、αyp是投影仪的v轴的尺度因子、u0p是投影仪的u轴主点坐标、v0p是投影仪的v轴主点坐标)；上述所有硬件均无特殊要求。3)利用步骤1)搭建的触觉前端和步骤2)搭建的视觉后端构建视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统；
本发明中所述视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统(简称视触觉测量系统)结构如图4所示，将步骤1)搭建的触觉前端(包含不透明涂料1、透明弹性体2、透明背板3、和固定框架4)放置在步骤2)搭建的视觉后端中相机5和投影仪6的上方，使得相机5镜头和投影仪6镜头正对触觉前端中透明背板3未与透明弹性体2连接的一面，调节透明背板3和固定底座7的距离，使得不透明涂料层1、透明弹性体2、透明背板3全部处于相机5和投影仪6的共视区内，调节完成后对固定框架4和固定底座7进行固定连接；本实施例中，透明背板3和固定底座7间距为30cm。
4)利用步骤3)构建的测量系统中的触觉前端接触待测量的汽车高反光表面；
如图5所示，使用步骤3)搭建完成的测量系统8中触觉前端的不透明涂层接触待测量的有部分形变的汽车高反光表面9并对测量系统8施加压力，其中施加压力的部分可为测量系统中任意大型刚性部件，如透明背板3、固定框架4、固定背板7或以上三者的任意组合，使测量系统中的不透明涂层1在接触待测量的有部分形变的汽车高反光表面9后发生形变((图5中汽车高反光表面9中突出的部分代表该汽车高反光表面由于部分地方有凸起或者凹陷造成的部分形变)，这一压力的最小值应当导致触觉前端不透明涂层1的表面法线发现局部变化；最大值应当小于导致测量系统或被测表面发生任何损坏的压力值；本实施例中，具体施压部件为固定背板7，压力值为1.7N。
5)采用n步相移法，利用计算机生成带有编码的n张编码图像，投影仪按序投射这些编码图像，透过投透明背板和透明弹性体，该编码图像在不透明涂料层上发生反射和相移，生成对应n张的相移图像；
本实施例中，具体方法如下：投影仪采用三步相移法向不透明涂层投射3张编码图像，编码图像效果如图6所示，自上而下分别为三次投影的编码图像，每张编码图像中，每个点的灰度根据其横坐标以正弦形式变化，任意两图间对应点的相位差均为2/3π。三张编码图像的编码表达式如下：
Figure BDA0002867376290000061
式中Ii(xp,yp)为第i张编码图像中(xp,yp)点的灰度，xp和yp分别是该点在投影仪像素坐标系中的横坐标和纵坐标，Iavg为与背景灰度(若灰度的取值范围为0～255，则背景灰度取该区间的中间值为宜，如取140)，Iamp为相移振幅(使得平均灰度±相移振幅在0～255范围内且略小于该范围，如取100)，f为编码图像条纹的横向空间频率，2πfxp为(xp,yp)点的相位；
6)利用视觉后端的相机采集步骤5)生成的n张相移图像，传输至计算机解码得到各点相位：
相机采集上述步骤5)投影后生成的n张相移图像并传输至计算机，由计算机对采集到的n张相移图像进行解码，得到每张相移图像上位于同一位置的各点对应的相位；
本实施例中，相机对应的采集到三张相移图像，对这三张相移图像中位于同一位置的任一点Z,可以通过下式求出Z点对应的相位ΦZ：
Figure BDA0002867376290000062
其中，
Figure BDA0002867376290000065
是相机捕获到的投影仪投影出的第i张相移图像中Z点的灰度值；
7)依据相位和三维测量原理对相移图像中各点世界坐标进行求解；
根据步骤6)得到的各点对应相位，依据三维测量原理，对该点的世界坐标进行求解，获得待测高反光表面的点云，最终得到待测高反光表面的三维形貌的检测结果。
本实施例中，由步骤6)中得到的Z点的相位可以唯一确定Z点在投影仪像素坐标系中的横坐标
Figure BDA0002867376290000063
因此可以列出Z点的世界坐标
Figure BDA0002867376290000064
(三个分量分别为Z点在世界坐标系下的X轴、Y轴和Z轴的坐标值)与该点在投影仪像素坐标中的坐标
Figure BDA0002867376290000071
(两个分量分别为Z点在投影仪的像素坐标系中的横、纵坐标值)的关系：
Figure BDA0002867376290000072
其中除
Figure BDA0002867376290000073
和
Figure BDA0002867376290000074
未知外，其余均为各图像上的已知点或投影仪的已知参数：
Figure BDA0002867376290000075
为世界坐标系到投影仪坐标系的外参矩阵，由对应的旋转矩阵Rp和平移向量tp共同组成；
Figure BDA0002867376290000076
为投影坐标系到投影仪像素坐标系的内参矩阵；sp为第一比例因子，为不取0的任意值，一般取1；
同时，Z点的世界坐标
Figure BDA0002867376290000077
与相机像素坐标系中的坐标
Figure BDA0002867376290000078
(两个分量分别为Z点在相机的像素坐标系中的横、纵坐标值)满足如下方程：
Figure BDA0002867376290000079
其中除
Figure BDA00028673762900000710
未知外，其余均为各图像上的已知点或投影仪的已知参数；
其中，
Figure BDA00028673762900000711
为世界坐标系到相机坐标系的外参矩阵，由对应的旋转矩阵Rc和平移向量tc共同组成；
Figure BDA00028673762900000712
为相机坐标系到相机像素坐标系的内参矩阵，sc为第二比例因子，为不取0的任意值，一般取1；
综合式(3)和(4)，得到如下表达式
Figure BDA0002867376290000081
进而得到Z点的坐标；
对相移图像中所有点的世界坐标进行求解后，获得待测高反光表面的点云，最终得到待测高反光表面的三维形貌的检测结果。
本发明还提出一种基于上述方法的视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统，该系统包括触觉前端和视觉后端两部分。其中，所述触觉前端包括：不透明涂料层、透明弹性体、透明背板和固定框架；所述透明背板一面通过螺纹连接在固定框架上，透明背板的另一面均匀涂抹透明粘胶后与透明弹性体的一面连接，透明弹性体的另一面均匀涂抹不透明涂料层；所述视觉后端包括：相机、投影仪、固定底座和计算机；所述相机和投影仪分别通过螺纹连接固定在固定底座上，相机的镜头和投影仪的镜头均朝向同一方向，相机和投影仪的光轴保持在设定的距离且平行，这一距离要使得相机和投影仪的共视区面积大于触觉前端中透明弹性体的最大表面的面积；相机和投影仪分别连接计算机；该系统安装时，触觉前端放置在视觉后端中相机和投影仪的上方，使得相机的镜头和投影仪的镜头正对触觉前端中透明背板未与透明弹性体连接的一面，调节透明背板和固定底座的距离，使得不透明涂料层、透明弹性体、透明背板全部处于相机和投影仪的共视区内，调节完成后对固定框架和固定底座进行固定连接。

Claims (2)

1.一种视触觉汽车高反光表面三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)搭建触觉前端；
所述触觉前端包括：不透明涂料层、透明弹性体、透明背板和固定框架；所述透明背板一面连接在固定框架上，透明背板的另一面均匀涂抹透明粘胶后与透明弹性体的一面连接，透明弹性体的另一面均匀涂抹不透明涂料层；
2)搭建视觉后端；
所述视觉后端包括：相机、投影仪、固定底座和计算机；所述相机和投影仪分别固定在固定底座上，相机镜头和投影仪镜头均朝向同一方向，相机和投影仪的光轴保持在设定的距离且平行，该距离使得相机和投影仪的共视区面积大于触觉前端中透明弹性体的最大表面的面积；相机和投影仪分别连接计算机；
其中，相机和投影仪固定后，对相机和投影仪进行标定，分别获得相机的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数，及投影仪的内参矩阵、外参矩阵和畸变参数；
3)利用步骤1)搭建的触觉前端和步骤2)搭建的视觉后端构建视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统；
将步骤1)搭建的触觉前端放置在步骤2)搭建的视觉后端中相机和投影仪的上方，使得相机镜头和投影仪镜头正对触觉前端中透明背板未与透明弹性体连接的一面，调节透明背板和固定底座的距离，使得不透明涂料层、透明弹性体、透明背板全部处于相机和投影仪的共视区内，调节完成后对固定框架和固定底座进行固定连接，视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统构建完毕；
4)使用步骤3)构建的测量系统中触觉前端的不透明涂层接触待测高反光表面并对测量系统施加压力，使不透明涂层在接触待测高反光表面后发生形变；
5)采用n步相移法，利用计算机生成带有编码的n张编码图像，投影仪按顺序投射每张编码图像并透过透明背板和透明弹性体，该编码图像在不透明涂料层上发生反射和相移，生成对应n张的相移图像；
6)利用相机采集步骤5)生成的n张相移图像并传输至计算机，计算机对采集到的n张相移图像进行解码，得到每张相移图像上位于同一位置的各点对应的相位；
7)利用步骤2)对相机和投影仪进行标定得到的标定结果以及步骤6)得到的各点对应的相位，求解相移图像中各点世界坐标，获得待测高反光表面的点云，最终得到待测高反光表面的三维形貌的检测结果。
2.一种基于如权利要求1所述方法的视触觉汽车高反光表面三维形貌测量系统，其特征在于，该系统包括触觉前端和视觉后端两部分；其中，所述触觉前端包括：不透明涂料层、透明弹性体、透明背板和固定框架；所述透明背板一面连接在固定框架上，透明背板的另一面均匀涂抹透明粘胶后与透明弹性体的一面连接，透明弹性体的另一面均匀涂抹不透明涂料层；所述视觉后端包括：相机、投影仪、固定底座和计算机；所述相机和投影仪分别固定在固定底座上，相机的镜头和投影仪的镜头均朝向同一方向，相机和投影仪的光轴保持在设定的距离且平行，该距离使得相机和投影仪的共视区面积大于触觉前端中透明弹性体的最大表面的面积；相机和投影仪分别连接计算机；该系统安装时，触觉前端放置在视觉后端中相机和投影仪的上方，使得相机的镜头和投影仪的镜头正对触觉前端中透明背板未与透明弹性体连接的一面，调节透明背板和固定底座的距离，使得不透明涂料层、透明弹性体、透明背板全部处于相机和投影仪的共视区内，调节完成后对固定框架和固定底座进行固定连接。
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