CN112781522A - 一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构光三维距离传感技术领域，具体为一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪。其包括彩色投影仪和彩色探测模块；其中，彩色投影仪，生成由红、绿、蓝三个光谱通道的条纹投影在目标物上，三色通道条纹分别具有三档不同的光强，对应不同的反射响应区域；彩色探测模块从不同曝光通道的采集图中对信号光强进行筛选，建立曝光融合图。本发明光路简单，无需多次调节曝光时间，且整个系统中无需其他硬件辅助，能够针对光滑表面相位重建中的高光饱和信号进行补偿，针对高动态反射率范围的金属表面质地，该轮廓仪仅需一次曝光就能获得不同曝光强度的拍摄图，并且能够有效抑制高光带来的相位误差，快速还原金属表面的真实相位分布。

Description

一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪

技术领域

本发明属于结构光三维轮廓仪技术领域，具体涉及一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪。

背景技术

结构光三维轮廓仪是一种针对物体的表面形貌和三维几何量进行获取和测量的光学系统，其系统配置相对简单，只需要投影仪和光探测模块就能够实现低成本、非接触快速测量，因而被广泛应用于车辆加工，航空航天，医学制造等大量工程领域中；然而，在实际的工业测量中，目标物的表面质地和组成成分往往较为复杂，例如表面被光滑油漆层包裹、抑或是由金属材质加工而成的工件，表面将出现由镜面反射引起的高光现象，由于传统的结构光系统大多针对漫反射表面，在一次曝光过程中的光强覆盖范围有限，因而在对高光区域将出现饱和失真；这种饱和破坏了原有光场的编码结构，使系统所建立的三维重建关系失真，从而影响数据的精度和可信度，针对目标物表面光滑的电介质材料，目前已经形成了较为成熟的双色反射模型来对光信号成分进行分解，从而在一定程度上提高了镜面反射带来的饱和失真；然而，该模型只适用于电介质，并不适用于金属材质，工业应用中，利用结构光对金属目标物进行快速非接触三维测量的需求仍然存在。

采用结构光的方法针对带有金属质地的面型进行三维测量，目前有三种常见的方法，分别是曝光调整法、偏振滤光法和相位偏折术；而曝光调整法又细分为曝光时间调整法、曝光强度调整法和自适应曝光调整法，曝光时间调整法和曝光强度调整法的共同点是需要多次曝光，较为费时；而自适应曝光调整法需要采用空间光调制器件对目标进行预处理，光路复杂程度大大增加，因而并不适合工业测量；偏振滤波法针对镜面反射的偏振分量进行滤波，能够过滤大部分高光，但同时，采用单一偏振态滤波时，漫反射的区域信号也不可避免地被削弱，从而还需要结合其他偏振态滤波的结果来弥补，同样牺牲了时间；近年来，一种基于阵列式偏振相机的多重偏振滤波系统解决了这一问题，其采用的阵列式偏振传感器能够同时获取不同偏振态的结构光图案，省去了多次测量的繁琐，但这种传感器的成本是一般工业相机的六倍甚至更多；而相位偏折术是一种专门针对镜面、玻璃等表面光滑度很高的光学表面进行测量的方法，并不适用于更广泛的镜面反射和漫反射混合存在的金属材质的情况，因此，开发一种针对金属材质，不牺牲时间的同时降低成本的结构光轮廓测量系统，将大大降低基于结构光系统针对金属目标进行测量的门槛，拓展其在精密制造业中的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于搭建一套基于彩色结构光的条纹投影相位轮廓仪，以减小现有结构光三维轮廓仪在针对高光面型及反射率变化范围较大的面型进行测量时，由于镜面反射导致的高光现象而引起的相位误差。

本发明中，由彩色数字投影仪生成不同光强的红、绿、蓝三个光谱通道的彩色条纹同时照明在目标物表面上，其对应的反射条纹被彩色探测模块接收从而用于生成曝光融合图，并根据融合图进行三维重建。本发明的技术方案具体介绍如下。

一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，其包括彩色投影仪和彩色探测模块；其中：

彩色投影仪，生成彩色条纹投影在目标物上，彩色条纹由红、绿、蓝三个光谱通道的

同相位条纹混合而成，三色通道条纹分别具有三档不同的光强，对应不同的反射响应区域；

彩色探测模块，其由可见光物镜与彩色工业相机两部分组成，其用于拍摄记录彩色投影仪投影在目标物上被调制的彩色条纹，被记录的彩色条纹被分解成三个颜色通道的条纹，从不同曝光通道的采集图中对信号光强进行筛选，对于出现饱和信号的区域，以曝光更弱条纹中相同位置的非饱和信号作为融合图信号，而对于非饱和像素的区域，则选取三光谱通道中信噪比最优的通道中的灰度值作为融合图信号，进而实现全局最优的曝光选择，建立曝光融合图，最后根据替换得到的融合曝光图进行相位恢复，以减弱相位图中的高光误差。具体地说，曝光融合图的生成方法如下：

首先，将彩色探测模块探测到的彩色条纹分成红、绿、蓝三个通道，并在光强最强的条纹中，逐像素地搜索出现饱和的位置，认定该像素及其周围像素的信号已受到高光影响而被破坏；

接着，由于预设曝光强度的不同，在强曝光条纹中的高光饱和区域，在弱曝光条纹中则具有合适的曝光水平，因此在这些像素的附近根据预设的曝光强度从高到低地跨通道寻找非饱和像素进行替换，来还原出条纹图案在饱和像素附近的真实光强分布；

最后，对于未出现饱和的像素，则选取三个光谱通道中曝光强度最大的条纹作为最优选择，来保证图案在这些位置具有较高的信噪比，进而得到全局曝光最优的融合图，消除原图像中高光导致波形失真，

本发明中，彩色投影仪生成的彩色条纹为余炫彩色条纹。

本发明中，其用于针对带有金属质地的面型进行三维测量。

本发明充分考虑了结构光技术针对金属材质及高动态反射率范围较大目标物的表面反光特性，采用了分光谱通道曝光变化的彩色条纹设计，其有益性充分体现在：

1、 本发明装置简单，只需数字投影仪和探测器，价格低廉，能够有效控制成本；

2、 本发明结构简单，无需外加空间光调制类器件或偏振滤波型元件，易于搭建；

3、 本发明对条纹进行了设计，使不同颜色通道下的条纹具有不同的曝光强度，从而覆盖

目标物不同反射率的区域，例如针对高光区域采用强度较低的通道条纹来避免饱和，针对一般区域采用强度适中的通道条纹，针对弱照明区域采用强度较高的通道条纹来提高信噪比；

4、 本发明中的三通道不同强度的条纹在一次曝光中一起被获取，从而实现针对不同反射

率范围的探测同时进行，无需多次曝光，既还原了饱和信息，又保证了其他区域的高信噪比；

5、 本发明所设计的分通道策略普遍适用于各种基于光强分布的结构光编码三维测量技术，

仅需将原有的单通道图案转为三通道即可实现。

综上所述，相较于现有的针对金属材质目标物的结构光轮廓仪，本设计结构简单，易于操作，成本低廉，无需辅助硬件，能够有效去除拍摄图像中高光饱和，减少相位重建中的误差，同时对于弱照明区域也能保持较好的信噪比，增强结构光测量系统对于金属材质面型的测量能力。

附图说明

图1为本发明基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪系统示意图。

图2为本发明实施例中目标物结构示意图。

图3为基于本发明所设计彩色条纹组成图。

图4为本发明实施例中针对目标物探测的红色条纹。

图5为本发明实施例中针对目标物探测的绿色条纹。

图6为本发明实施例中针对目标物探测的蓝色条纹。

图7为本发明实施例中根据目标物进行优化后的融合曝光图。

图8为本发明实施例中未经处理的高光区域相位分布图。

图9为本发明实施例中经过处理的高光区域相位分布图。

图10为本发明实施例中经过处理的弱照明区域相位分布图。

图11为本发明实施例中未经处理的弱照明区域相位分布图。

图中标号: 1-彩色数字投影仪；2-彩色探测模块，21-可见光物镜，22-彩色工业相机；3-目标物；4-余弦彩色条纹，41-红色通道信号，42-绿色通道信号，43-蓝色通道信号。

具体实施方式

以下通过具体实施例和相关附图对本发明作进一步详细说明。

为了说明该发明的实际效果，搭建了一套基于该策略的结构光测量系统。图1为本发明的彩色相移结构光的去高光轮廓仪结构示意图。该发明的硬件部分包括一台彩色数字投影仪1和一个彩色探测模块2，其中彩色探测模块2由一款可见光物镜21和一个彩色工业相机22连接而成。在本实施例中，彩色数字投影仪1的型号为极米Z6，分辨率为1920×1080，焦距可调，工作距离允许在200 mm -1000 mm之间可变。投影仪光源为三色LED光源，与光机配合工作，支持三通道8色位彩色图片投影。在本实施例中，可见光物镜21型号为长步道光电科技的AI0805M，焦距8 mm，工作距离在100 mm -1500 mm之间可变。彩色工业相机22选择大恒MER-500-14GC系列，分辨率2592×1944，像元尺寸为2.2 μm×2.2 μm。探测器表面镀有拜尔滤色片形成三通道探测像元的阵列。红、绿、蓝三个波段的百分比量子效率均大于40%。待测量的目标物3为一铝合金圆柱体，高20 mm，其表面经过抛光和氧化处理，平面精度在±0.02 mm以内，表面粗糙度小于1.6 μm，其面型包括平面、球冠面和球凹面。如图2所示为该工件的三维渲染拍摄图。

在该实施例中，投影仪所投条纹为余弦条纹，基于四步相移法进行条纹投影和相位解调，采用多频外差法对解调进行相位解包，以得到真实相位分布。在该实施例中，所投余弦彩色条纹4，以红色通道信号41最弱，绿色通道信号42适中，蓝色通道信号43最强的曝光策略生成条纹。三通道的条纹同相位地叠加，从而让其颜色串扰最小。如图3所示为本实施例中所投影的余弦彩色条纹4某一个相位下的组成成分。按照四步相移的要求，四次投影的相位分别为0，π/2，π和3π/2。每次曝光时，同相位的混合条纹同时投影在目标物3的表面上，其被目标物3表面调制而反射条纹被探测模块2记录。如图4、5、6即为该实施例中实验得到某一个投影相位下的红、绿、蓝三通道曝光图。其中，由于蓝色通道曝光最强，条纹出现大面积饱和失真，只在较弱反射区域保持了较好的曝光水平；而绿色通道曝光更弱，在大范围内的曝光信噪比很低，反而只在高光区域保持了较好的曝光水平。在本实施例中，由蓝和绿色通道的两级曝光就可覆盖整个面型的表面，因此在进行条纹融合时，只采用了这两个通道。如图7为蓝、绿两曝光通道经过融合后的条纹图。通过对比图4-图7可以看到，图7中既消除了图6中的高光，也比图4、5有更好的信噪比。为了进行相位解调，将四个相位的条纹图依次投影、拍摄，进行上述操作后，即得到一组全局曝光最优的四步相移融合条纹。

接下来，采用四步相移的计算方法，对融合条纹进行相位解调，并基于多频外差法进行解包处理，最后经过消斜，即得到了相位分布。为了说明该发明的策略针对金属材质处理效果的提升，选取图6中金属目标物高光较强位置的一部分进行考察。首先，计算该区域带有饱和信息的相位图，如图8所示。接下来计算经过该发明策略优化的相位图，由于该位置饱和明显，因此策略在此处选择绿色通道来计算相位，结果如图9所示。图8中的相位起伏很大，且具有一定的周期性。这是因为，这一位置的条纹出现严重饱和，且饱和不满一个周期。而图9中的相位分布明显趋于平滑，更接近真实表面的分布。同时，为了说明该发明策略针对弱照明区域具有较好的信噪比，选取拍摄图中目标物表面信号较弱的大球冠面附近一处进行考察。由于该位置反射光信号较弱，远远未达到饱和，所以根据该发明所提出的方案，在这一位置选择蓝色通道条纹计算相位分布，其结果如图10所示。而基于较弱的绿色通道计算得到的相位分布如图11所示。相比图10，其噪点明显更多，结果更具有不确定性，不符合面型的相位重建结果。这说明，本发明所提出的优化方案，能够在不改变曝光条件的曝光过程中，对高光区和弱反射区都保持较好的相位还原情况。而传统的单色照明技术，无法从单一固定的曝光图中，同时得到反射率差异较大的不同位置处的有效曝光。因此证明，该发明所提出的设计和计算方法，能够有效从出现高光的区域中还原出条纹真实的相位分布，同时保证了较暗处条纹的信噪比，减少图像因曝光不当引起的相位误差。

综上所述，本发明公开了一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，可以在相位重建中针对高光信号区域进行处理，同时保证了弱照明区域的条纹对比度。该系统无需多次曝光就能获取不同曝光强度的条纹图，提升了时间利用率，且相比于采用偏振滤波的去高光系统而言，该系统无需辅助滤波元件，仅靠投影仪和探测器就能够实现，有效降低了探测成本，也极大提高了照明效率。

在该实施例中，仅选取了特定型号的彩色数字投影仪1、可见光物镜21以及彩色工业相机22来具体说明本发明的实验思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。基于该发明的多通道探测器包括但不限于多通道阵列式相机、多通道单点探测器。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，其特征在于，其包括彩色投影仪和彩色探

测模块；其中：

彩色投影仪，生成彩色条纹投影在目标物上，彩色条纹由红、绿、蓝三个光谱通道的

同相位条纹混合而成，三色通道条纹分别具有三档不同的光强，对应不同的反射响应区域；

彩色探测模块，其由可见光物镜与彩色工业相机两部分组成，其用于拍摄记录彩色投影仪投影在目标物上的彩色条纹，被记录的彩色条纹被分解成三个颜色通道的条纹，从不同曝光通道的采集图中对信号光强进行筛选，对于出现饱和信号的区域，以曝光更弱条纹中相同位置的非饱和信号作为融合图信号，而对于非饱和像素的区域，则选取三光谱通道中信噪比最优的通道中的灰度值作为融合图信号，进而实现全局最优的曝光选择，建立曝光融合图，最后根据得到的融合曝光图进行相位恢复，以消除相位图中的高光误差。

2.根据权利要求1所述的基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，其特征在于，彩色投影仪生成的彩色条纹为余炫彩色条纹。

3.根据权利要求1所述的基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，其特征在于，彩色探测模块建立曝光融合图的具体方法如下：

首先，将彩色探测模块探测到的彩色条纹分成红、绿、蓝三个通道，并在光强最强的条纹中，逐像素地搜索出现饱和的位置，认定该像素及其周围像素的信号已受到高光影响而被破坏；

接着，由于预设曝光强度的不同，在强曝光条纹中的高光饱和区域，在弱曝光条纹中则具有合适的曝光水平，因此在这些像素的附近根据预设的曝光强度从高到低地跨通道寻找非饱和像素进行替换，来还原出条纹图案在饱和像素附近的真实光强分布；

最后，对于未出现饱和的像素，则选取三个光谱通道中曝光强度最大的条纹作为最优选择，来保证图案在这些位置具有较高的信噪比，进而得到全局曝光最优的融合图，消除原图像中高光导致波形失真。

4.根据权利要求1所述的基于彩色相移结构光的去高光轮廓仪，其特征在于，其用于针对带有金属质地的面型进行三维测量。

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