CN112697048A - 扫描投影云纹方法测量离面位移方法 - Google Patents

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马少鹏
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Abstract

一种扫描投影云纹方法测量离面位移方法，通过投影云纹技术，能够根据测试需求灵活调整系统的测量面积、分辨率、测量范围，即使进行大面积物体的测试时也具有很高的分辨率与精度；本发明测量系统的自动化程度高，采集的图像经由计算机后期处理，可实现快速批量化测量；本发明对硬件要求不高，价格低廉，且工作时能耗低；系统各元件整合在壳体内，抗外界环境干扰能力强，便于携带，适合进行现场测试。

Description

扫描投影云纹方法测量离面位移方法
技术领域
本发明涉及的是一种光学测量领域的技术，具体是一种应用扫描方法增加投影云纹方法测量离面位移的范围的方法。
背景技术
投影云纹是测量全场离面位移的主要光学测试技术，但该技术的测量范围与测量分辨率之间存在矛盾，无法同时实现大范围、高分辨率的离面位移测量。现有的改进方案有通过图像处理系统以相移算法计算得到变形前后对应的全场的位相，从而得到全场离面位移。但这类技术在图像采集设备分辨率、投影栅线空间频率固定的情况下，其测量范围也将随着测量分辨率的提高而减小。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种扫描投影云纹方法测量离面位移方法，首次通过扫描方式在没有降低测量分辨率的情况下，显著增加了投影云纹法的测量范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种扫描投影云纹方法测量离面位移方法，包括如下步骤：
步骤1)根据所需测试要求，选择合适节距的投影光栅，将投影系统置于测量距离处；
所述的投影系统包括壳体以及设置于其内部的光源、具有相移装置的投影光栅和投影镜头。
所述的相移装置是指：利用压电陶瓷传感器，允许光栅产生平移的驱动装置。
步骤2)调节投影光栅以在被测物体表面A1区域形成清晰的栅线；
步骤3)调节接收系统以将被测物体表面的栅线精确成像到形成云纹图像，通过图像处理模块采集该云纹图像；
所述的接收系统包括壳体和设置于其内部的用于采集云纹图像的CCD相机、具有相移装置的参考光栅和成像镜头。
所述的图像处理模块包括：测试单元和反馈单元，其中：测试单元与CCD相机相连并获取图像信息后计算得到被测物体形貌；反馈单元与扫描机构相连并根据被测物体形貌输出转动角度信息。
步骤4)利用相移装置驱动参考光栅沿其主方向平动，实现云纹图像的相移，并记录多幅相移条纹图，运用相移算法计算得到变形前全场的位相
Figure BDA0002837499410000011
所述的相移算法是指：由于云纹条纹图像满足空间正弦分布规律，具体为：
Figure BDA0002837499410000021
Figure BDA0002837499410000022
其中：
Figure BDA0002837499410000023
为图像上第i行j列的像素点的条纹位相值，a(i，j)为该像素点处的灵敏度系数，h(i，j)为待求的离面位移；灵敏度系数a(i，j)由系统参数及测点位置决定，通过在计算机中生成虚拟的投影系统可以计算出每个像素点的灵敏度系数，具体为
Figure BDA0002837499410000024
Figure BDA0002837499410000025
其中：H为系统设定的虚拟高度，
Figure BDA0002837499410000026
与
Figure BDA0002837499410000027
是像素点i，j对应的离面位移分别H和0的三维物体点的云纹相位。
所述的云纹相位具体为：
Figure BDA0002837499410000028
Figure BDA0002837499410000029
其中：pp和pc分别为投影光栅与参考光栅的节距，(x，y，H)与(x，y，0)为在接收系统上的投影均为(i，j)的虚拟三维点坐标，三阶矩阵Kp为投影系统的内部参数，三阶矩阵Rp与三阶列向量Tp为外部参数，Kc为接收系统的内部参数，Rc与Tc为外部参数，即接收系统相对外部世界的方位，利用标定板标定出A1位置投影系统的投影系统与接收系统的内部参数与外部参数。
所述的投影系统作为反向接收系统，并使用接收系统模型进行描述，因此也存在内部参数和外部参数。
所述的投影系统与接收系统的成像公式分别为
Figure BDA00028374994100000210
和
Figure BDA00028374994100000211
因此在给定像素点(i，j)与离面位移的情况下，可以计算出对应三维点坐标以及虚拟云纹相位，从而计算出该像素点的灵敏度系数。
步骤5)分别以α1、α2转动投影系统，重复步骤3)和步骤4)得到对应A2、A3区域的云纹图像及其全场位相
Figure BDA00028374994100000212
Figure BDA00028374994100000213
并标定出A2，A3的参数。
使用A2、A3位置的投影系统拍摄A1位置的标定板图像，通过上述的Kp、Rp、Tp与Kc、Rc、Tc计算出相应的外部参数，其中：A2位置的外部参数为Rp2、Tp2与Rc2、Tc2，A3位置的外部参数为Rp3、Tp3与Rc3、Tc3。由于在旋转扫描的过程中投影系统与接收系统仅发生了位置上的变化，因此内部参数依然为K1与K2。
步骤6)在被测物体形状发生改变后，重复步骤3)～步骤5)，得到变形后对应的全场的位相
Figure BDA00028374994100000214
步骤7)将步骤5)和步骤6)所获得的变形前后全场位相相减，得到物体表面离面位移引起的条纹位相变化，得到A1、A2、A3各个区域的离面位移
Figure BDA00028374994100000215
其中：i＝1，2，3；
步骤8)将A1、A2、A3各个区域的离面位移拼接到同一坐标系下，得到所有区域的全场离面位移，由于三个区域的投影系统对应的世界坐标系是相同的，即A1位置的标定板所定义的世界坐标系，因此将每个区域的离面位移放在同一个世界坐标系即可完成拼接。
技术效果
本发明整体解决了现有测量中大面积与高分辨率之间无法兼顾的问题，与现有技术相比，本发明可以根据测试需求灵活调整系统的测量面积、分辨率、测量范围，即使进行大面积物体的测试时也具有很高的分辨率与精度；本发明测量系统的自动化程度高，采集的图像经由计算机后期处理，可实现快速批量化测量；本发明对硬件要求不高，价格低廉，且工作时能耗低；系统各元件整合在壳体内，抗外界环境干扰能力强，便于携带，适合进行现场测试。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：第一壳体1、第一变焦镜头2、第一光栅及相移装置3、光源4、第二壳体5、第二变焦镜头6、扫描机构7、第二光栅及相移装置8、CCD相机9、图像处理模块10；
图2为不同扫描角度下的云纹条纹图像；
图3为重建的物体形貌。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：光源4、具有相移装置的投影光栅3和参考光栅8、两个变焦镜头2和6、CCD相机9、壳体1和5、扫描机构7、图像处理模块10，其中：光源4、投影光栅3、投影镜头2设置于壳体1内，构成用于将光栅投影到被测物体表面的投影系统；用于采集云纹图像的CCD相机9、参考光栅8、成像镜头6设置于壳体5内，构成用于将物体表面的栅线成像到参考光栅上形成云纹的接收系统；图像处理模块10分别通过RS232接口与千兆网线与扫描机构7和CCD相机9连接，实现扫描以及图像采集。
所述的图像处理模块10包括：测试单元和反馈单元，其中：测试单元与CCD相机9相连并获取图像信息后计算得到被测物体形貌；反馈单元与扫描机构7相连并根据被测物体形貌输出转动角度信息。
所述的光源4，采用但不限于功率为150W的卤素灯白光光源。
所述的投影光栅3和参考光栅8分别用于产生投影栅线和参考云纹，其中的光栅为机刻透射光栅，用于对透过的光产生正弦调制，其节距根据测试需求的面积、分辨率等确定。
所述的相移装置的行程为100微米，分辨率7纳米。
所述的变焦镜头2、6分别用于产生投影和接收物体表面的栅线，其采用但不限于变焦距短焦镜头，通过专用的卡口分别固定在壳体1、5上，其变焦范围：16-35mm；最近对焦距离：0.28米。
所述的壳体1、5用于集成系统各组件，同时具有遮蔽环境杂散光干扰的作用。
所述的CCD相机9，采用但不限于工业CCD相机，分辨率1600*1200。
本实施例中，投影系统与接收系统设置于扫描机构7上。被测物体为长方形石膏板，板上有竹子雕塑，雕塑凸凹落差最大16mm。石膏板长800mm，宽400mm。首先对未放置石膏板的平板进行测试，之后放置石膏板，用石膏板表面形貌模拟非均匀的离面位移。
本实施例基于上述装置的全场的离面位移获得方法，通过以一定角度转动整个投影系统可以在相同分辨率(Re)下测量被测物体其它区域，扫描得到该区域A2、A3、……范围的云纹图像；当被测物体发生离面位移时，重复之前步骤即可以获取变形后测量范围A1、A2、A3、……上的云纹图像；通过计算、比较测量范围A1、A2、A3、……上云纹图像的相位差，即可得到测量范围A1、A2、A3、……上的离面位移；最后把测量范围A1、A2、A3、……拼接到同一坐标系下得到全场的离面位移。因为A1+A2+A3+……＞A1，也就是在保持相同分辨率(Re)下，增加了测量范围。
如图2所示，为本实施例采集的云纹条纹图像，其中：左边A1区域是初始位置，即没有扫描的区域；中间是扫描转动α1的，测量范围扩展到A2区域；右边是转动α2的，测量范围扩展到A3区域。经图像处理后得到A1、A2、A3三个区域的实验结果如图3所示。很显然，经过扫描后测量范围明显增加。没有扫描时测量的范围为180mm×200mm，扫描转动α1后达到180mm×340mm，再次扫描转动α2后达到180mm×480mm。测量范围增加量取决于扫描角度，而扫描角度取决于扫描后是否能够得到清晰的云纹图像。只要所得到的云纹图像足够清晰就可以增加扫描角度，以获取更大的测量范围。因为扫描过程中投影系统和接收系统是整体转动，整个投影系统的全场灵敏度系数变化不大，而且这种变化可以通过标定得到。
经过具体实际实验，在单CCD相机视场为180mm×200mm时，通过两次转动扫描，转动角度为8°和16°，能够将测试范围提升至180mm×480mm，同时测量分辨率没有降低。
与常规光学全场测试技术相比，本方法在没有降低测量分辨率的情形下，显著提升了测量范围。同时，系统各元件整合在壳体内，抗外界环境干扰能力强，便于携带，适合进行现场测试。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种扫描投影云纹方法测量离面位移方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)根据所需测试要求，选择合适节距的投影光栅，将投影系统置于测量距离处；
步骤2)调节投影光栅以在被测物体表面A1区域形成清晰的栅线；
步骤3)调节接收系统以将被测物体表面的栅线精确成像到形成云纹图像，通过图像处理模块采集该云纹图像；
步骤4)利用相移装置驱动参考光栅沿其主方向平动，实现云纹图像的相移，并记录多幅相移条纹图，运用相移算法计算得到变形前全场的位相
Figure FDA0002837499400000011
步骤5)分别以α1、α2转动投影系统，重复步骤3)和步骤4)得到对应A2、A3区域的云纹图像及其全场位相
Figure FDA0002837499400000012
并标定出A2，A3的参数；
步骤6)在被测物体形状发生改变后，重复步骤3)～步骤5)，得到变形后对应的全场的位相
Figure FDA0002837499400000013
步骤7)将步骤5)和步骤6)所获得的变形前后全场位相相减，得到物体表面离面位移引起的条纹位相变化，得到A1、A2、A3各个区域的离面位移
Figure FDA0002837499400000014
其中：i＝1，2，3；
步骤8)将A1、A2、A3各个区域的离面位移拼接到同一坐标系下，得到所有区域的全场离面位移，由于三个区域的投影系统对应的世界坐标系是相同的，即A1位置的标定板所定义的世界坐标系，因此将每个区域的离面位移放在同一个世界坐标系即可完成拼接；
所述的投影系统包括：壳体以及设置于其内部的光源、具有相移装置的投影光栅和投影镜头；
所述的接收系统包括：壳体和设置于其内部的用于采集云纹图像的CCD相机、具有相移装置的参考光栅和成像镜头；
所述的图像处理模块包括：测试单元和反馈单元，其中：测试单元与CCD相机相连并获取图像信息后计算得到被测物体形貌；反馈单元与扫描机构相连并根据被测物体形貌输出转动角度信息。
2.根据权利要求1所述的扫描投影云纹方法测量离面位移方法，其特征是，所述的相移算法是指：由于云纹条纹图像满足空间正弦分布规律，具体为：
Figure FDA0002837499400000015
其中：
Figure FDA0002837499400000016
为图像上第i行j列的像素点的条纹位相值，a(i，j)为该像素点处的灵敏度系数，h(i，j)为待求的离面位移；灵敏度系数a(i，j)由系统参数及测点位置决定，通过在计算机中生成虚拟的投影系统可以计算出每个像素点的灵敏度系数，具体为
Figure FDA0002837499400000021
Figure FDA0002837499400000022
其中：H为系统设定的虚拟高度，
Figure FDA0002837499400000023
与
Figure FDA0002837499400000024
是像素点(i，j)对应的离面位移分别H和0的三维物体点的云纹相位。
3.根据权利要求2所述的扫描投影云纹方法测量离面位移方法，其特征是，所述的云纹相位具体为：
Figure FDA0002837499400000025
Figure FDA0002837499400000026
其中：pp和pc分别为投影光栅与参考光栅的节距，(x，y，H)与(x，y，0)为在接收系统上的投影均为(i，j)的虚拟三维点坐标，三阶矩阵Kp为投影系统的内部参数，三阶矩阵Rp与三阶列向量Tp为外部参数，Kc为接收系统的内部参数，Rc与Tc为外部参数，即接收系统相对外部世界的方位，利用标定板标定出A1位置投影系统的投影系统与接收系统的内部参数与外部参数。
4.根据权利要求3所述的扫描投影云纹方法测量离面位移方法，其特征是，所述的投影系统作为反向接收系统，也存在内部参数和外部参数；
所述的投影系统与接收系统的成像公式分别为
Figure FDA0002837499400000027
和
Figure FDA0002837499400000028
因此在给定像素点(i，j)与离面位移的情况下，可以计算出对应三维点坐标以及虚拟云纹相位，从而计算出该像素点的灵敏度系数。
5.根据权利要求4所述的扫描投影云纹方法测量离面位移方法，其特征是，使用A2、A3位置的投影系统拍摄A1位置的标定板图像，通过上述的Kp、Rp、Tp与Kc、Rc、Tc计算出相应的外部参数，其中：A2位置的外部参数为Rp2、Tp2与Rc2、Tc2，A3位置的外部参数为Rp3、Tp3与Rc3、Tc3；在旋转扫描的过程中投影系统与接收系统的内部参数依然为K1与K2。
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