CN113790680A - 一种高速双相机三维检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种高速双相机三维检测系统及方法，包括投影装置、第一图像采集装置、第二图像采集装置和处理器，投影装置用于向待测物体表面投射结构光图案；第一图像采集装置用于采集投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第一采集区域；第二图像采集装置用于采集投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第二采集区域，第二采集区域和第一采集区域部分重叠；处理器用于获取采集到的图像，根据图像进行分析计算，获得待测物体的高度信息。通过设置第一图像采集装置和第二图像采集装置，处理器获得采集到的图像并处理，在相同采集速度下获得更大区域的高度信息，提高了检测速度。

Description

一种高速双相机三维检测系统及方法

技术领域

本发明涉及三维检测设备技术领域，具体涉及一种高速双相机三维检测系统及方法。

背景技术

三维扫描技术在工业检测、机器人导航、逆向工程以及目标识别等领域获得了广泛的应用。特别是在工业自动化以及电子领域，需要获得测量目标的精准三维尺寸以及面型。在电子装配行业，需要通过机器视觉对表面贴装生产线的锡膏粘贴质量以及电路板上的元器件进行检测，通常采用3D锡膏检测设备（3D SPI）检测锡膏印刷的品质，采用三维光学检测设备（3D AOI）检测PCB板过炉焊接后的质量，一次提高产品的良品率。3D SPI/ AOI设备一般由投射光源结合工业相机、镜头、二维光源、图像采集卡以及核心软件五个部分组成。投射光源投射结构光到电路板表面，相机采集结构光图案分析处理，快速精准的获得电路板上锡膏印刷的高度信息，剔除不良品。投射光源部分当前采用的技术包括线激光和面投影装置，3D SPI设备也有采用grating结合机械推动的模式产生结构光，面投影装置由于速度快不需要机械推动等优势成为目前3D SPI设备的主流技术。中国专利公开号CN211042118U一种三维检测系统及方法，该系统包括：第一投影装置，用于向待测样品投射第一波段的光信号；第二投影装置，用于向待测样品投射第二波段的光信号，第二波段与第一波段为不同波段，第一波段的光信号和第二波段的光信号在待测样品上的投影区域部分重合；图像采集装置，设置在待测样品的上方，用于采集第一投影装置的投影区域和第二投影装置的投影区域的图像；处理器，用于获取图像采集装置采集的图像，根据图像对待测样品的规格参数进行计算，确定待测样品的规格参数。该检测系统通过两个投影装置来获得两个投影区域，再利用一个图像采集装置采集两个投影区域的图像，该检测系统虽然可以获得待测样品更大区域的信息，在一定程度上提高了检测效率，但是由于图像采集装置的分辨率有所限制，因此图像采集装置的采集面积不能过大，检测精度和检测速度均受到限制，该检测系统和检测方法由一个图像采集装置对两个投影区域采集，无法满足高检测精度和高检测速度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速双相机三维检测系统、方法及存储介质，以提升检测速度和检测精度。

一种高速双相机三维检测系统，包括至少一个投影装置、第一图像采集装置、第二图像采集装置和处理器，所述投影装置用于向待测物体表面投射至少一种结构光图案；所述第一图像采集装置和第二图像采集装置均设置在待测物体的上方，第一图像采集装置用于采集所述投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第一采集区域；所述第二图像采集装置用于采集所述投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第二采集区域，所述第二采集区域和所述第一采集区域部分重叠；所述处理器用于获取所述第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像，根据采集到的图像进行分析计算，获得待测物体的高度信息。

可选的，所述投影装置的数量为至少一个，所述第一图像采集装置和第二图像采集装置平行设置，并位于所述投影装置一侧。这样设置能够使得投影装置向待测物体表面投射面积较大，第一图像采集装置和第二图像采集装置更加方便采集投影装置的投影区域部分图案

可选的，所述处理器包括高度计算模块，所述高度计算模块包括初始化模块、采集模块、3D重建模块、数据融合模块和输出模块，所述初始化模块用于导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；所述采集模块用于采集第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像序列；所述3D重建模块用于分别计算第一采集区域和第二采集区域的高度数据；所述数据融合模块用于将第一采集区域中与第二采集区域的重叠区域、第二采集区域中与第一采集区域的重叠区域的高度数据融合；所述输出模块用于输出待测物体的高度信息。

与上述的高速双相机三维检测系统相匹配，本发明还提供一种高速双相机三维检测方法，应用于上述的高速双相机三维检测系统，包括：

S10、利用投影装置向待测物体表面投射结构光图案；

S20、利用第一图像采集装置和第二图像采集装置采集投影区域图案；

S30、通过处理器分析投影区域图案以获取待测物体的高度信息。

可选的，所述步骤S30具体为：

S300、利用处理器中的初始化模块导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；

S301、利用采集模块获取第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像序列；

S302、利用3D重建模块分别计算第一采集区域和第二采集区域的高度数据；

S303、利用数据融合模块将第一采集区域中与第二采集区域的重叠区域、第二采集区域中与第一采集区域的重叠区域的高度数据融合。

有益效果：本发明通过一个投影装置生成投影区域，通过第一图像采集装置和第二图像采集装置采集投影区域，在保证第一图像采集装置和第二图像采集装置的采集到的图像精度的前提下，获得两个检测区域，处理器获得第一采集区域和第二采集区域内的采集到的图像并进行处理，在同样的投影区域具有更高的图像分辨率和更快的数据传输和处理速度，从而提升了三维检测速度和检测精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种高速双相机三维检测系统的结构示意图。

图2为本发明提供的一种处理器的内部模块示意图。

图3为本发明提供的第一图像采集装置和第二图像采集装置前后排列时的结构示意图。

图4为本发明提供的第一图像采集装置和第二图像采集装置左右排列时的结构示意图。

图5为在图3的排列方式下获取的投影区域和采集区域的结构示意图。

图6为在图4的排列方式下获取的投影区域和采集区域的结构示意图。

图7为本发明提供的一种高速双相机三维检测方法的流程框图。

图8为本发明提供的一种处理器处理方法的流程框图。

附图标记说明：1、投影装置；2、第一图像采集装置；3、第二图像采集装置； 5、处理器；10、投影区域；20、第一采集区域；30、第二采集区域；31、重叠区域；50、初始化模块；51、采集模块；52、3D重建模块；53、数据融合模块；54、输出模块。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种高速双相机三维检测系统，包括投影装置1、第一图像采集装置2、第二图像采集装置3和处理器5；投影装置1用于向待测物体表面投射至少一种结构光图案；第一图像采集装置2和第二图像采集装置3均设置在待测物体的上方，第一图像采集装置2用于采集投影装置1的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第一采集区域20；第二图像采集装置3用于采集投影装置1的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第二采集区域30，第二采集区域30和第一采集区域20部分重叠；处理器5用于获取第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集到的图像，根据采集到的图像进行分析计算，获得待测物体的高度信息。

如图1所示，在本实施方式中，投影装置1可以为投影仪，能够向待测物体表面投射至少一种结构光图案，第一图像采集装置2和第二图像采集装置3均为相机。具体地，第一图像采集装置2和第二图像采集装置3有两种排列方式：第一种排列方式为两个相机前后排列（如图3所示），该排列方式获取的投影区域和采集区域如图5所示，两个相机前后排列，相应的，相机采集区域相对投影区域也是前后排列，梯形区域代表投影区域10，两个方形区域分别代表第一采集区域20和第二采集区域30，第一采集区域20为FOV1区域，第二采集区域30为FOV2区域，两个方形区域的重叠部分为重叠区域31，即为FOV3区域。第二种排列方式为两个相机左右排列（如图4所示），该排列方式获取的投影区域和采集区域如图6所示，两个相机左右排列相应的，相机采集区域相对投影区域也是左右排列，梯形区域代表投影区域10，两个方形区域分别代表第一采集区域20和第二采集区域30，第一采集区域20为FOV1区域，第二采集区域30为FOV2区域，两个方形区域的重叠部分为重叠区域31，即为FOV3区域。采集装置与投影装置摆放的相对距离和角度根据投影装置1的投影区域的面积以及第一图像采集装置2和第二图像采集装置3的重叠区域31（FOV3区域）来预先设定。

如图1所示，在本实施方式中，投影装置1的数量为一个，第一图像采集装置2和第二图像采集装置3平行设置，并位于投影装置1一侧。通过这样设置，可以使得两个图像采集装置最大限度采集到的投影区域的图案。

如图2所示，处理器5包括高度计算模块，高度计算模块包括初始化模块50、采集模块51、3D重建模块52、数据融合模块53和输出模块54，初始化模块50用于导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；采集模块51用于采集第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集到的图像序列；3D重建模块52用于分别计算第一采集区域20和第二采集区域30的高度数据；数据融合模块53用于将第一采集区域20中与第二采集区域30的重叠区域31、第二采集区域30中与第一采集区域20的重叠区域31的高度数据融合；输出模块54用于输出待测物体的高度信息。进一步的，输出模块54可连接有显示装置，将高度信息传输至显示装置，更为直观。

本检测系统通过投影装置1生成一个投影区域，通过第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集一个投影区域，在保证第一图像采集装置2和第二图像采集装置3的采集到的图像精度的前提下，获得两个检测区域，处理器5获得第一采集区域20和第二采集区域30内的采集到的图像并进行处理，能够在同样的投影区域具有获得更高的图像分辨率和更快的数据传输和处理速度提升了三维检测速度和检测精度。

实施例2

本实施例提供的一种高速双相机三维检测系统的结构与实施例1基本相同，主要差异在于，投影装置1的数量为两个，第一图像采集装置2和第二图像采集装置3平行设置，两个投影装置1分别对称设置在第一图像采集装置2和第二图像采集装置3两侧。通过设置两个投影装置1，可解决检测目标产生阴影及反光等问题，提高检测精度。

实施例3

如图7所示，本发明提供一种高速双相机三维检测方法，应用于上述的高速双相机三维检测系统，包括：

S10、利用投影装置1向待测物体表面投射结构光图案；

S20、利用第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集投影区域图案；

S30、通过处理器5分析投影区域图案以获取待测物体的高度信息；如图8所示，步骤S30具体为：

S300、利用处理器中的初始化模块50导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；

S301、利用采集模块51获取第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集到的图像序列，这里的图像序列指的是由第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集到的一张或多张图像，这些图像组成一个序列；

S302、利用3D重建模块52分别计算第一采集区域和第二采集区域的高度数据，第一采集区域为FOV1区域，第二采集区域为FOV2区域；

S303、利用数据融合模块53将第一采集区域20中与第二采集区域30的重叠区域、第二采集区域30中与第一采集区域20的重叠区域的高度数据融合。为了方便下面的描述，第一采集区域20中与第二采集区域30的重叠区域可以命名为N1，第二采集区域30中与第一采集区域20的重叠区域命名为N2，由于N1和N2指的是相同区域，因此N1和N2计算出来的高度数据基本吻合。

该三维检测方法通过第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集投影区域图案，处理器5获得第一采集区域20和第二采集区域30内采集到的图像并进行处理，与技术背景中的对比文件1（公开号为CN211042118U）相比，本技术方案中的处理器5无需将采集到的图像进行分割处理以获得不同的检测区域，只需要通过对比第一图像采集装置2和第二图像采集装置3采集的图像，并将计算得到的FOV1区域和FOV2区域的高度数据进行融合合并，整个计算过程简单方便。本检测方法在相同的采集速度下获得更大区域的高度信息，提高了三维检测速度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点 ，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种高速双相机三维检测系统，其特征在于，包括：

至少一个投影装置，用于向待测物体表面投射至少一种结构光图案；

第一图像采集装置，设置在待测物体的上方，用于采集所述投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第一采集区域；

第二图像采集装置，设置在待测物体的上方，用于采集所述投影装置的部分投影区域图案，该采集区域被配置成第二采集区域，所述第二采集区域和所述第一采集区域部分重叠；

处理器，用于获取所述第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像，根据采集到的图像进行分析计算，获得待测物体的高度信息。

2.根据权利要求1所述的一种高速双相机三维检测系统，其特征在于，所述投影装置的数量为至少一个，所述第一图像采集装置和第二图像采集装置平行设置，并位于所述投影装置一侧。

3.根据权利要求1所述的一种高速双相机三维检测系统，其特征在于，所述处理器包括高度计算模块，所述高度计算模块包括：

初始化模块，所述初始化模块用于导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；

采集模块，所述采集模块用于采集第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像序列；

3D重建模块，所述3D重建模块用于分别计算第一采集区域和第二采集区域的高度数据；

数据融合模块，所述数据融合模块用于将第一采集区域中与第二采集区域的重叠区域、第二采集区域中与第一采集区域的重叠区域的高度数据融合；

输出模块，所述输出模块用于输出待测物体的高度信息。

4.一种高速双相机三维检测方法，应用于如权利要求1-3任一所述的高速双相机三维检测系统，其特征在于，包括：

S10、利用投影装置向待测物体表面投射结构光图案；

S20、利用第一图像采集装置和第二图像采集装置采集投影区域图案；

S30、通过处理器分析投影区域图案以获取待测物体的高度信息。

5.根据权利要求4所述的一种高速双相机三维检测方法，其特征在于，所述步骤S30具体为：

S300、利用处理器中的初始化模块导入预先设置或标定的投影装置和第一图像采集装置、第二图像采集装置之间的位置关系或标定参数等；

S301、利用采集模块获取第一图像采集装置和第二图像采集装置采集到的图像序列；

S302、利用3D重建模块分别计算第一采集区域和第二采集区域的高度数据；

S303、利用数据融合模块将第一采集区域中与第二采集区域的重叠区域、第二采集区域中与第一采集区域的重叠区域的高度数据融合。

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