CN112815846A - 一种2d、3d复合的高精度视觉装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种2D、3D复合的高精度视觉装置，包括投影单元、背景照明单元、图像采集单元、控制单元、数据处理单元，投影单元，倾斜地设置于测量对象的侧方，并与图像采集单元的主光轴形成角度大于0°且小于90°的夹角，用于向测量对象上投射出结构光图案和不同波长的不同均匀光；背景照明单元，设置于测量对象的正下方，用于为测量对象提供背景光源；图像采集单元，位于测量对象的正上方，用于采集投射后的图像数据；控制单元，用于分别控制投影单元、背景照明单元进行分时点亮发光；数据处理单元，用于获取图像数据信息，并进行分析、处理获取全视角彩色3D图像。本发明体积小、低成本、角度可扩展，适用范围广。

Description

一种2D、3D复合的高精度视觉装置及测量方法

技术领域

本发明涉及视觉检测技术领域，尤其涉及一种2D、3D复合的高精度视觉装置及测量方法。

背景技术

随着科技水平不断提高，越来越多的工业场合使用机器视觉检测代替人工检测和测量。

通常，为了能够对产品进行全方位测量及检测，会使用2D视觉技术检测产品的表面纹理缺陷、色差以及长宽尺寸，由于2D视觉没有高度数据，如果需要检测产品的平面度、高度差等指标则需要用到3D视觉或轮廓测量仪扫描，通常，需要至少两种不同的视觉系统才能达到预期效果，每种视觉系统还需要多台从不同角度检测以满足检测节拍的要求，这将大大增加用户的成本以及设备的设计难度；而如果需要获取具有彩色纹理的高精度3D图像，传统做法是再增加一个彩色的CCD/CMOS，对多个CCD/CMOS的位姿进行标定，其一图像融合难免会有误差；其二会增加了硬件成本和系统标定的复杂度，虽然也有不增加CCD/CMOS就能获取彩色3D图像的实施例，例如带深度信息的RGB CMOS，但是精度不高，通常为厘米级别的，难以做到高精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种2D、3D复合的高精度视觉装置及测量方法。

为了达到上述目的，本发明的技术实施例如下：

一种2D、3D复合的高精度视觉装置，包括投影单元、背景照明单元、图像采集单元、控制单元、数据存储单元、数据处理单元，其中：

所述投影单元，倾斜地设置于测量对象的侧方，并与所述图像采集单元的主光轴形成夹角，所述夹角的角度大于0°且小于90°，用于向测量对象上投射出结构光图案和不同波长的不同均匀光；

所述背景照明单元，设置于测量对象的正下方，用于为测量对象提供背景光源；

所述图像采集单元，与所述投影单元连接，位于测量对象的正上方，用于采集结构光图案和不同波长的不同均匀光投射在测量对象上，受测量对象影响后的图像数据；

所述控制单元，与投影单元和背景照明单元连接，用于分别控制投影单元、背景照明单元进行分时点亮发光，照射测量对象；

所述数据存储单元，与所述图像采集单元连接，用于存储所述图像采集单元采集的图像数据信息；

所述数据处理单元，与所述数据存储单元连接，用于从数据存储单元提取图像数据信息，并进行分析、处理，获得具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像，基于具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像合成全视角彩色3D图像。

优选地，所述图像采集单元，包括接收镜头和光敏感器件，所述接收镜头和光敏感器件位于同一中心线上，所述光敏感器件采用黑白的CCD或CMOS传感器。

优选地，所述接收镜头采用远心镜头。

优选地，所述结构光图案为编码结构光图案或调制条纹图案，所述不同波长的不同均匀光为三原色光或任何组合的混合光。

优选地，所述背景光源为面平行光源。

优选地，所述数据处理单元采用通用图形处理器、基于FPGA的可编程控制器、中央处理器或DSP芯片。

优选地，所述图像采集单元的主光轴周边设置有若干个摆放角度一致的投影单元。

优选地，所述投影单元的图像生成面与物面相对于光投影镜片主平面遵循沙姆定律。

基于上述任意一项所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置的测量方法，包括如下步骤：

通过控制单元控制投影单元向测量对象投射结构光图案，图像采集单元采集变形的结构光图案序列；

通过控制单元控制投影单元向测量对象依次投射出不同波长的不同均匀光，图像采集单元顺次采集相应颜色的图像；

数据处理单元获取图像采集单元采集的结构光图案序列和相应颜色的图像序列，并根据结构光图案序列生成具有深度信息的形状图像，根据相应颜色的图像序列生成具有纹理信息的伪彩色图像；

将具有纹理信息的伪彩色图像直接对应到具有深度信息的形状图像中，合成一幅完全匹配的全视角彩色3D图像。

优选地，还包括如下步骤：通过控制单元控制背景照明单元使能，为测量对象提供背景光源。

基于上述技术实施例，本发明的有益效果是：

1)、投影装置采用彩色投影仪，便于控制投影图案的颜色，例如红绿蓝三色光或任何组合的混合光，以适应不同颜色、材质和反射率；

2)、图像采集单元中，接收镜头采用远心镜头，由于远心镜头在景深范围内没有像差，可精确测量对象的尺寸，减少像差和畸变带来的误差，提高生成的高度数据的精度；

3)、背景光源采用面平行光源，面平行光源的光照射角度接近平行，被测物体与背景的对比度将大幅提高，特别针对具有有弧度的工件，不会将其弧面部分照亮，获得的图像边缘清晰锐利，提高了尺寸测量精度；

4)、本发明可生成高精度的2D图和3D深度图，且大幅降低了视觉检测系统的集成难度，提高了检测节拍。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1：本发明一种2D、3D复合的高精度视觉装置的实施例一的结构示意图；

图2：本发明一种2D、3D复合的高精度视觉装置的实施例二的结构示意图，

其中：101-左投影单元，102-右投影单元，201-图像采集单元，301-数据存储单元，401-数据处理单元，501-控制单元，601-背景照明单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术实施例进行清楚、完整地描述。

实施例一

如图1所示，一种2D、3D复合的高精度视觉装置，包含左投影单元101，图像采集单元201，数据存储单元301，数据处理单元401，控制单元501，背景照明单元601，其中：

左投影单元101,倾斜地设置于测量对象的左侧方，并与图像采集单元201的主光轴形成角度大于0°且小于90°夹角，用于向测量对象上投射出结构光图案和不同波长的不同均匀光，左投影单元101的图像生成面与物面相对于光投影镜片主平面遵循沙姆定律，可以使投影装置的焦点都落入物面中，整副图案均能清晰成像，左投影单元101的光学系统光圈F数能设计得更小，投影图案能更清晰明亮，本实施例中左投影单元101采用彩色DLP投影仪；

背景照明单元601，设置于测量对象的正下方，用于为测量对象提供面平行光源；

图像采集单元201，与所述左投影单元101连接以便同步，其位于测量对象的正上方，用于采集结构光图案和不同波长的不同均匀光投射在测量对象上，受测量对象影响后的图像数据，其中，图像采集单元201包含接收镜头和光敏感器件，接收镜头可采用远心镜头，如果不需要高精度2D尺寸测量也可以采用非远心镜头，光敏感器件可采用黑白的CCD或CMOS或其他类型的光敏感器件；

控制单元501，与左投影单元101和背景照明单元601连接，用于分别控制左投影单元101、背景照明单元601进行分时点亮发光，照射测量对象，本实施例中控制单元501采用ARM平台，根据需求也可以选择其他任意可编程的控制平台，例如基于FPGA的可编程控制器、中央处理器(CPU)等；数据存储单元301，与所述图像采集单元连接，用于存储所述图像采集单元采集的图像数据信息，本实施例中数据存储单元301采用RAM来实现，优选DDR内存，因为其具有带宽大、成本低、容量易扩展等特性；

数据处理单元401，与301数据存储单元连接，用于从数据存储单元301提取图像数据信息，并进行分析、处理，获得具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像，基于具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像合成全视角彩色3D图像。本实施例中数据处理单元401采用支持通用计算的图形处理器(GPGPU)来实现，由于GPGPU作为通用数据处理平台相对成熟，具有易编程、图像处理能力强的特点，根据需求也可以其他的计算平台，例如基于FPGA的可编程控制器、CPU或DSP芯片，

深度图的生成

控制单元501控制左投影单元101投射结构光图案，该图案可为编码结构光图案，例如调制的条纹图案，也可为随机结构光图案，这里我们选择编码条纹图案作为结构光图案；左投影单元101投射图案后产生一个脉冲信号，图像采集单元201接收到此信号后采集一帧图像存储到数据存储单元301，所有条纹图案依次投射完毕，数据处理单元401从数据存储单元301读取图像，解算采集到的多幅条纹图案，生成具有高度信息的深度图。

2D图的生成

控制单元501打开背景照明单元601后，控制左投影单元101依次投射均匀的红、绿、蓝三色光，左投影单元101投射后产生一个脉冲信号，图像采集单元201接收到此信号后采集一帧图像存储到数据存储单元301，三色光图案依次投射完毕，数据处理单元401从数据存储单元301读取图像，根据需要选取相应颜色光的图案，由于开启了背景照明单元601，被测物体与背景的对比度将大幅提高，边缘清晰锐利，提高了尺寸测量精度。

彩色图的生成

上述的2D图生成中，数据处理单元401可将此三幅图像合成一幅纹理清晰的伪彩色图像，可广泛应用到各种识别场合。

彩色深度图的生成

由上述生成的深度图和伪彩色图，由于图像采集单元201采用远心镜头，在景深范围内，没有像差，因此无需做特别的配准即可将伪彩色图融合到深度图中，合成一幅完全匹配的全视角彩色3D图像。

实施例二：

如图2所示，实施例二与实施例一的区别点在于，针对需要进行无盲区检测的场合，单个左投影单元101是无法满足的需求，会有明显的照明盲区，因此本装置可根据需要扩展投影单元，以达到消除盲区的目的，例如表面光亮的金属件检测，可能4个投影单元都无法满足消除盲区，则可以扩充更多的投影单元，本实施例以扩充两个投影单元为例进行说明，增设右投影单元102，两个投影单元(101，102)相对于图像采集单元201的主光轴对称，且均与图像采集单元201形成角度大于0°小于90°的夹角，

深度图的生成：

控制单元501控制左投影单元101投射经过编码的结构光图案，该图案可为二值编码的条纹图案，左投影单元101投射图案后产生一个脉冲信号，图像采集单元201接收到此信号后采集一帧图像存储到数据存储单元301，所有条纹图案依次投射完毕，数据处理单元401从数据存储单元301读取图像，解算采集到的多幅条纹图案，合成一幅新的深度图。

2D图的生成

控制单元501打开背景照明单元601后，控制左投影单元101依次投射均匀的红、绿、蓝三色光，左投影单元101投射后产生一个脉冲信号，图像采集单元201接收到此信号后采集一帧图像存储到数据存储单元301，三色光图案依次投射完毕，同理，控制单元501控制右投影单元102依次投射均匀的红绿蓝三色光，获得相应的新的图像数据；数据处理单元401从数据存储单元301读取图像，从两次的投光图像中选取亮度值最佳的像素点合成一幅新的图像，新的图像将消除单个投影单元无法照射的盲区，用户根据需要选取相应颜色光的图案，由于开启了背景照明单元，被测物体与背景的对比度将大幅提高，边缘清晰锐利，提高了尺寸测量精度。

彩色图的生成

上述的2D图生成中，数据处理单元401可将此三幅图像合成一幅纹理清晰的伪彩色图像，可广泛应用到各种识别场合。

彩色深度图的生成

由上述生成的深度图和伪彩色图，由于图像采集单元采用远心镜头，在景深范围内，没有像差，因此无需做特别的配准即可将伪彩色图融合到深度图中，合成一幅完全匹配的全视角彩色3D图像。

以上所述仅为本发明所公开的一种2D、3D复合的高精度视觉装置及测量方法的优选实施方式，并非用于限定本说明书实施例的保护范围。凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的保护范围之内。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书实施例中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，包括投影单元、背景照明单元、图像采集单元、控制单元、数据存储单元和数据处理单元，其中：

所述投影单元，倾斜地设置于测量对象的侧方，并与所述图像采集单元的主光轴形成夹角，所述夹角的角度大于0°且小于90°，用于向测量对象上投射出结构光图案和不同波长的不同均匀光；

所述背景照明单元，设置于测量对象的正下方，用于为测量对象提供背景光源；

所述图像采集单元，与所述投影单元连接，位于测量对象的正上方，用于采集结构光图案和不同波长的不同均匀光投射在测量对象上，受测量对象影响后的图像数据；

所述控制单元，与投影单元和背景照明单元连接，用于分别控制投影单元、背景照明单元进行分时点亮发光，照射测量对象；

所述数据存储单元，与所述图像采集单元连接，用于存储所述图像采集单元采集的图像数据信息；

所述数据处理单元，与所述数据存储单元连接，用于从数据存储单元提取图像数据信息，并进行分析、处理，获得具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像，基于具有深度信息的形状图像和具有纹理信息的伪彩色图像合成全视角彩色3D图像。

2.根据权利要求1所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述图像采集单元，包括接收镜头和光敏感器件，所述接收镜头和光敏感器件位于同一中心线上。

3.根据权利要求2所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述接收镜头采用远心镜头，所述光敏感器件采用黑白的CCD或CMOS传感器。

4.根据权利要求1所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述结构光图案为编码结构光图案或调制条纹图案，所述不同波长的不同均匀光为三原色光或任何组合的混合光。

5.根据权利要求1所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述背景光源为面平行光源。

6.根据权利要求1所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述数据处理单元采用通用图形处理器、基于FPGA的可编程控制器、中央处理器或DSP芯片。

7.根据权利要求1所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述图像采集单元的主光轴周边设置有若干个摆放角度一致的投影单元。

8.根据权利要求1或7所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置，其特征在于，所述投影单元的图像生成面与物面相对于光投影镜片主平面遵循沙姆定律。

9.基于权利要求1至8任意一项所述的一种2D、3D复合的高精度视觉装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过控制单元控制投影单元向测量对象投射结构光图案，图像采集单元采集变形的结构光图案序列；

通过控制单元控制投影单元向测量对象依次投射出不同波长的不同均匀光，图像采集单元顺次采集相应颜色的图像；

数据处理单元获取图像采集单元采集的结构光图案序列和相应颜色的图像序列，并根据结构光图案序列生成具有深度信息的形状图像，根据相应颜色的图像序列生成具有纹理信息的伪彩色图像；

将具有纹理信息的伪彩色图像直接对应到具有深度信息的形状图像中，合成一幅完全匹配的全视角彩色3D图像。

10.根据权利要求9所述的一种2D、3D复合的高精度视觉测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过控制单元控制背景照明单元使能，为测量对象提供背景光源。

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