CN112816505A - 透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法、系统和装置 - Google Patents

透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法、系统和装置 Download PDF

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Abstract

一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，设置至少一光源，以适合角度照射被测所述透明或半透明介质，使得所述透明或半透明介质的上、下表面形成纹理图像，且能够被至少一台光场相机拍摄成像；使用所述光场相机拍摄所述透明或半透明介质成像的纹理区域，并进行光场多视角渲染及深度计算，获得光场多视角图像和光场深度图像；根据透明或半透明介质上、下表面纹理的三维位置信息，获得所述的透明或半透明介质上、下表面的三维位置信息。

Description

透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法、系统和装置
技术领域
本发明属于产品检测技术领域，特别涉及一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法、系统和装置。
背景技术
近年来，人们对这类透明或半透明介质的需求来越多，然而对透明或半透明介质的检测，包括对其上、下表面三维位置检测一直都是工业检测的难题之一。三维测量技术是机器视觉领域和测量领域的一项核心技术。三维测量指测量待测物体的三维信息。目前工业界对透明或半透明介质的上下表面的三维位置测量一直存在限制，通常用接触式方法进行测量。随着生产效率要求越来越高，接触式测量的方法无法满足现在的需求，因此对于透明或半透明介质上下表面三维位置检测亟待自动化解决方案。
光场相机的出现为三维检测提供了新的解决方向。光场相机在常规相机的传感器和主镜头中间增加了微透镜阵列，进而记录光线的传播方向，形成独特的经过透镜阵列编码的光场图像，对该光场图像进行处理渲染，继而可以得到三维信息。光场相机是一种被动式三维测量方式，因此可以透过透明或半透明介质进行三维测量。
发明内容
本发明实施例提供一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，目的在于解决现有方案中无法对该类检测实现自动化处理判断的难题。
本发明实施例之一，一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，包括以下步骤：
设置至少一光源，以适合角度照射被测所述透明或半透明介质，使得所述透明或半透明介质的上、下表面形成纹理图像，且能够被至少一台光场相机拍摄成像；
使用所述光场相机拍摄所述透明或半透明介质成像的纹理区域，并进行光场多视角渲染及深度计算，获得光场多视角图像和光场深度图像；
根据透明或半透明介质上、下表面纹理的三维位置信息，获得所述的透明或半透明介质上、下表面的三维位置信息。
本发明实施例的有益效果包括：
1、利用光场相机被动式测量的特点，光场相机可以透过透明或半透明介质进行三维成像。因此，不仅可以计算介质上表面位置信息，还可以同时计算介质下表面位置信息。
2、提出的基于光场相机的三维检测方法高效便捷并且具有更高的精度和普适性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是根据本发明实施例之一的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法流程图。
图2是根据本发明实施例中光场相机拍摄在侧上方光源照射下被测介质成像纹理的示意图，其中，2-a是系统原理示意图，2-b是该例中含有点状纹理的光场图像。
图3是根据本发明实施例中光场相机拍摄在侧下方光源照射下被测介质成像纹理的示意图，其中，3-a是系统原理示意图，3-b是该例含有点状纹理的光场图像。
图4是根据本发明实施例的图像示例，其中
4-a是根据本发明实施例中计算得到的上下表面含有点状纹理信息的手机玻璃盖板的光场中心视角图像；
4-b是对应4-a的深度图像；
4-c是该例中对应的手机玻璃盖板上下表面的三维点云图像的侧视图；
4-d是该例中对应的手机玻璃盖板上下表面的三维点云图像斜视图。
具体实施方式
在实际生产使用过程中，需要在产品，尤其是电子产品的表面贴上透明或者半透明的薄膜，有时候还要贴上多层的透明或者半透明介质薄膜。这些薄膜层层叠加，紧密贴合，给产品质量检测带来了很大困难。在现有技术中，如果采用人工或者二维相机拍摄检测，很难对每一层介质薄膜的三维位置进行识别和定位，目前为止还没有很好的解决方案。
根据一个或者多个实施例，一种透明或半透明介质上下表面三维位置检测系统。该系统包括，待检测的透明或半透明介质；至少一个光源，用于将光线照射至所述的透明或半透明介质；光场相机，拍摄获取所述透明或半透明介质的图像，用以检测出所述的透明或半透明介质存在的三维缺陷，该检测的步骤包括：用光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光板，进行光场白图像校准，并且完成微透镜中心校准；进行光场相机尺度校准，搭设适合角度的光源；用光场相机拍摄被测介质缺陷区域并处理得到多视角及深度图像，基于多视角图像中缺陷的形状及颜色，剔除深度图中非缺陷点，最终获得所述的透明或半透明介质缺陷的三维信息。
根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种基于光场相机的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，该介质可以是单独一层，也可以多层叠加贴合介质中的一层，例如可以是是手机屏幕玻璃盖板。该检测方法包含如下步骤：
A1，根据透明或半透明介质的测量区域大小和测量深度范围，选择适合焦距和放大倍率的光学镜头。调节镜头光圈至光场相机光圈匹配，即微透镜光圈和主镜头光圈匹配，具体表现为光场相机拍摄散焦柔光纯色校准板图像，该图像中微透镜阵列恰好或接近于相切状态。光场白图像，或者光场相机白图像是指光场相机拍摄的纯白背景图像，这时微透镜阵列的形状会在该图像上体现的特别明显。因此可以基于该图像调节光圈，确保微透镜图像恰好相切。
调节完毕后，拍摄多张位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板，即散焦柔光纯色校准板。对多张光场白图像进行平均化及归一化处理后得到去渐晕矩阵
Figure BDA0002493752680000031
后续拍摄的全部光场原始图像均需要点除以该去渐晕矩阵，从而完成光场白图像校准。这里的光场原始图像是指相对于未经过光场多视角图像算法处理的光场图像。
完成光场包图像校准步骤后，对光场白图像使用滤波器进行处理，去除光场白图像噪声，并对滤波后的光场图像进行非极大值抑制；进而根据处理后的图像取局部最大值，该最大值恰好为光场相机微透镜的整数级中心；以整数级微透镜中心作为初始迭代值，迭代优化微透镜排列网格，最终获得微透镜排列的角度及间距，获得亚像素级微透镜中心。
A2，光场相机尺度校准步骤需要装配位移台及尺度校准板：首先固定尺度校准板在光场相机焦平面区域，从焦平面处不断移动校准板到固定空间距离，并进行拍摄，且校准板上点的空间位置已知，因此可以得到整个移动过程中校准板上点的空间位置。圆点校准点在光场图像上会形成弥散圆，处理得到弥散圆的直径进而计算得到弥散圆的视差值及弥散圆的像素坐标，根据光场相机尺度校准模型，拟合得到空间中三维坐标和光场相机像素坐标和视差值的关系。
A3，根据被测透明或半透明介质的测量需求进行多个角度光源照射，如图2-3所示光源可以从侧上方或侧下方射入；从侧上方射入的光源先在介质上表面反射形成第一个纹理点，然后部分光线发生折射进入介质内部，在下表面发生反射现象产生第二个纹理点；从侧下方射入的光源先在介质下表面反射形成第一个纹理点，然后部分光线发生折射进入介质内部，在上表面发生反射现象产生第二个纹理点。该过程中光源并不受限制，可以使用诸如相干/非相关点激光光源、点光光源、线光光源和面阵光源等。
A4，基于含有纹理信息的光场相机原始光场图像，进行常规光场渲染及深度估计。首先进行光场多视角渲染，得到含义介质信息的纹理光场多视角图像；然后进一步计算获得光场视差图像，根据光场相机尺度校准结果，将光场视差图像转为光场深度图像，该深度图像中同样包含介质上下表面纹理的深度信息。
A5，基于A4中纹理的深度信息，可以进一步推断得到介质上下表面的三维位置信息。
本发明的一个实施例，采用光场相机拍摄点状激光照射手机屏幕玻璃盖板，检测并且计算手机玻璃盖板的上下表面三维位置信息。该实施例具体检测过程如下：
根据手机屏幕玻璃本身的尺寸(厚度0.7mm)及对应的缺陷和灰尘的大小，本实施例采用搭配4倍的放大倍率镜头进行拍摄；基于玻璃厚度为0.7mm，采用直径大小为0.5mm的绿色激光点，从待测玻璃样品斜上方15°方向照射；光场相机搭配合适光圈和焦距的镜头后拍摄散焦柔光纯色校准板，进行光场白图像校准和微透镜中心校准；光场相机拍摄多张空间位置不同的尺度校准板进行光场相机尺度校准；点状激光光源照射待测玻璃样品，以至于透明玻璃盖板上下表面均能形成点状纹理信息能够被光场相机拍摄成像；光场相机进行光场多视角渲染及深度计算，得到对应的手机玻璃盖板点状纹理的二维中心视角图像(图4-a)及对应的深度图像(图4-b)；根据点状纹理的三维位置信息，最终计算得到该被测玻璃介质的上下表面的三维位置信息(图4-c)。
根据一个或者多个实施例，实际测量中，在确定了透明或半透明介质上、下表面三维位置后，需要进一步对透明或半透明介质三维缺陷进行进行检测，因此，一种基于光场相机的透明或半透明介质三维缺陷检测方法，可以包含如下步骤：
A1，根据透明或半透明介质的测量区域大小和测量深度范围，选择适合焦距和放大倍率的光学镜头。调节镜头光圈至光场相机光圈匹配，即微透镜光圈和主镜头光圈匹配，具体表现为光场相机拍摄散焦柔光纯色校准板图像，该图像中微透镜阵列恰好或接近于相切状态。光场白图像，或者光场相机白图像是指光场相机拍摄的纯白背景图像，这时微透镜阵列的形状会在该图像上体现的特别明显。因此可以基于该图像调节光圈，确保微透镜图像恰好相切。
调节完毕后，拍摄多张位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板，即散焦柔光纯色校准板。对多张光场白图像进行平均化及归一化处理后得到去渐晕矩阵
Figure BDA0002493752680000051
后续拍摄的全部光场原始图像均需要点除以该去渐晕矩阵，从而完成光场白图像校准。这里的光场原始图像是指相对于未经过光场多视角图像算法处理的光场图像。
完成光场包图像校准步骤后，对光场白图像使用滤波器进行处理，去除光场白图像噪声，并对滤波后的光场图像进行非极大值抑制；进而根据处理后的图像取局部最大值，该最大值恰好为光场相机微透镜的整数级中心；以整数级微透镜中心作为初始迭代值，迭代优化微透镜排列网格，最终获得微透镜排列的角度及间距，获得亚像素级微透镜中心。
A2，光场相机尺度校准步骤需要装配位移台及尺度校准板：首先固定尺度校准板在光场相机焦平面区域，从焦平面处不断移动校准板到固定空间距离，并进行拍摄，且校准板上点的空间位置已知，因此可以得到整个移动过程中校准板上点的空间位置。圆点校准点在光场图像上会形成弥散圆，处理得到弥散圆的直径进而计算得到弥散圆的视差值及弥散圆的像素坐标，根据光场相机尺度校准模型，拟合得到空间中三维坐标和光场相机像素坐标和视差值的关系。
A3，根据被测透明或半透明介质的测量需求进行多个角度光源照射，如图2所示多个角度光源对透明或半透明介质表面及内部的三维缺陷照射，以至于能被光场相机成像；该过程中光源并不受限制，可以使用诸如环形光源、背光源、条形光源、球积分光源、穹顶光源、同轴光源等。
A4，基于含有缺陷信息的光场相机原始光场图像，进行常规光场渲染及深度估计。首先进行光场多视角渲染，得到具有缺陷信息的光场多视角图像；然后进一步计算获得光场视差图像，根据光场相机尺度校准结果，将光场视差图像转为光场深度图像，该深度图像中同样包含缺陷的深度信息。
A5，光场多视角图像与常规二维相机图像本质上没有区别，可以视为多个不同角度的二维相机拍摄同一个物体，因此可以对该多视角图像进行缺陷提取。缺陷识别和提取可以使用多种方法，如基于形状的模板匹配、基于灰度的轮廓提取和基于卷积神经网络的缺陷识别等方法将图像中缺陷的像素坐标提取出来，并剔除深度图像上非缺陷区域。
A6，基于A2的光场尺度校准结果，将仅剩余缺陷区域的深度图像映射至空间坐标系中，最终形成缺陷的三维点云。最终获得缺陷的灰度信息、三维坐标信息和形状信息。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置至少一光源，以适合角度照射被测所述透明或半透明介质，使得所述透明或半透明介质的上、下表面形成纹理图像，且能够被至少一台光场相机拍摄成像；
使用所述光场相机拍摄所述透明或半透明介质成像的纹理区域，并进行光场多视角渲染及深度计算，获得光场多视角图像和光场深度图像；
根据透明或半透明介质上、下表面纹理的三维位置信息，获得所述的透明或半透明介质上、下表面的三维位置信息。
2.根据权利要求1所述的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，其特征在于，所述光场相机对所述透明或半透明介质的上、下表面纹理图像的拍摄步骤包括：
调节所述光场相机的焦距和光圈，拍摄多张散焦柔光纯色校准板，获取光场相机白图像，
根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵和光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵；
使用所述光场相机拍摄多张已知空间三维位置的圆点校准板，并建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，完成光场相机的尺度校准。
3.根据权利要求2所述的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，其特征在于，所述调节所述光场相机的焦距和光圈，拍摄多张散焦柔光纯色校准板，获取光场相机白图像的步骤包括，
调节光场相机主镜头和光圈，使光场相机的原始光场白图像的微透镜阵列恰好或近似于相切；
令光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板图像，该校准板位于光场相机散焦处的光强均匀的纯色背景板，其中，
去渐晕矩阵为多张原始光场白图像W(u,v)进行平均化及归一化处理后的矩阵
Figure FDA0002493752670000011
4.根据权利要求2所述的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，其特征在于，所述根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵和光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵的步骤中，光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵是对光场白图像
Figure FDA0002493752670000021
进行每个微透镜局部最大值处理后，迭代优化处理得到亚像素级微透镜中心坐标。
5.根据权利要求2所述的透明或半透明介质上、下表面三维位置检测方法，其特征在于，所述使用所述光场相机拍摄多张已知空间三维位置的圆点校准板，并建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，完成光场相机的尺度校准的步骤中，所述的圆点校准板上各个圆点的三维坐标为已知，用光场相机拍摄该校准板后获得该校准板圆点的弥散程度及对应的视差值，进而拟合校准得到视差值和三维坐标的关系。
6.一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测系统，其特征在于，该系统包括，
待检测的透明或半透明介质；
至少一个光源，用于将光线照射至所述的透明或半透明介质，并在其上、下表面形成纹理信息；
至少一台光场相机，拍摄获取所述透明或半透明介质上、下表面图像，用以检测出所述的透明或半透明介质的上下表面三维位置信息，检测方法包括步骤：
用光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光板，进行光场白图像校准，并且完成微透镜中心校准；
进行光场相机尺度校准，搭设适合角度的光源；
用光场相机拍摄被测介质缺陷区域并处理得到多视角及深度图像，基于多视角图像中缺陷的形状及颜色，剔除深度图中非缺陷点，
最后获得所述的透明或半透明介质缺陷的三维信息。
7.一种透明或半透明介质上、下表面三维位置检测装置，其特征在于，
至少一个光源，用于将光线照射至所述的透明或半透明介质，并在其上、下表面形成纹理信息；
至少一台光场相机，拍摄获取所述透明或半透明介质上、下表面图像，用以检测出所述的透明或半透明介质的上下表面三维位置信息；
三维位置检测器，包括存储器；以及
耦合到所述存储器的处理器，该处理器被配置为执行存储在所述存储器中的指令，所述处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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