CN114018177B - 一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法 - Google Patents

一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，该测量方法首先利用计算机生成一幅散斑图，利用LCD屏幕将散斑图分别投影在参考镜面和被测镜面上，之后由成像系统分别采集，使用开源的2D DIC应用程序Ncorr来计算散斑的位移，通过直接建立散斑位移与高度之间的关系，得出被测镜面高度，恢复三维形貌。本发明相比传统的正弦条纹测量方法，大大减少了所需拍摄的图案，提高了测量效率；通过建立散斑位移与高度的直接关系，省去了梯度积分的过程，避免了梯度积分过程中的误差累计，克服了传统方法无法测量不连续镜面物体的缺点；且计算简单，控制灵活，操作简便，对镜面物体的测量有较高的鲁棒性，在精密测量中有潜在的应用前景和实用价值。

Description

一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法
技术领域
本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法。
背景技术
随着科技的进步，和精密制造行业的发展，传统的一维和二维测量技术已经无法适应现代化工业进程。如何快速、准确的获得具有高精度要求的产品的三维形貌，已经逐渐成为人们关注的热点。光学三维测量技术由于具有快速采集、非接触操作、全场测量和数据处理速度快等特点，在逆向工程、工业检测、虚拟现实、医学工程、文物保护等领域中得到了广泛应用。而现代工业生产制造过程中，存在很多的表面为镜面或类镜面物体，如光学元器件表面、抛光的汽车车身、抛光模具、手机外壳、太阳能电池板等，这些领域对于镜面物体的三维形貌测量有着很大的需求。并在市场的供求关系驱使下，镜面物体的三维测量快速成为焦点。由于镜面或类镜面物体的反射特性，传统的三维面形检测不能满足对于镜面或类镜面物体精密加工的要求，况且现在的镜面在线检测技术研究还处于初级阶段。因此，研究镜面物体的三维形貌的测量，对于工业发展具有很重要的研究意义和广阔的发展前景。
数字图像相关(DIC)是一种基于数字图像处理的光学测量方法，被广泛应用于实验力学领域。DIC一般可以分为两种：二维(2D)DIC和三维(3D)DIC。2D DIC通常是用一台相机记录物体表面形变前后的散斑分布图，再通过相关算法计算前后两幅图的散斑位移，其中就包含了物体的形变信息，也可以用来进一步分析应力。而3D DIC是使用两个相机，基于双目立体视觉原理，采用三维数字图像相关方法，可对被测物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形场进行测量。DIC发展至今，在算法优化和散斑质量评估方面取得了长足的进步，图形亚像素匹配精度已经超过了0.01pixel。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，通过以下技术方案实现。
一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，包括以下步骤：
步骤一、利用计算机生成一幅散斑图；
步骤二、通过投影设备LCD将散斑图依次投影在参考镜面和被测镜面上，分别由CCD相机采集，再通过精密平移台移动投影设备LCD一段距离，再由投影设备LCD将散斑图依次投影在参考镜面和被测镜面上，再分别由CCD相机采集，此时共采集到四张散斑图，分别为投影设备LCD处于第一位置被测镜面和参考镜面反射的两张散斑图与投影设备LCD处于第二位置被测镜面和参考镜面反射的两张散斑图；其中，投影设备LCD放置在两个不同的位置时，投影设备LCD的屏幕都与参考镜面平行；
步骤三、使用开源的2D DIC应用程序Ncorr来计算散斑的位移，通过建立的散斑位移与高度之间的直接关系，得出待测镜面高度，恢复三维形貌。
优选的，所述步骤一中，散斑图的子集梯度强度平方和(SSSIG)不低于1×105。
本发明的优点在于：
1、本发明将散斑图案引入到镜面物体的三维测量中，大大减少了所需要拍摄和处理的图片数量，极大提高了测量效率；
2、使用散斑图案的子集梯度强度平方和(SSSIG)控制在不低于1×105，可以在保证精度的同时减小子集尺寸，小尺寸的子集可以节约计算时间，同时减少子集内的非线性形变，提高子集的匹配精度；
3、使用的模型可以直接得到散斑位移与高度之间的关系，相比于传统的梯度模型，省去了梯度积分的过程，避免了由于梯度积分产生的误差累计；并且可以用于测量表面不连续的镜面物体；
4、本发明的方法计算简单，控制灵活，操作简便，对镜面物体的测量具有较高的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的三维测量系统原理示意图。
图2为本发明的三维测量系统流程示意图。
图3为本发明的散斑图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，其原理如图1所示，包括采集设备CCD相机，投影设备LCD，参考镜面，待测镜面，计算机。先用计算机生成预先设计好的散斑图案，再利用投影设备LCD，将散斑图案投射到参考镜面和待测镜面上，经过镜面反射后，由CCD相机采集到反射的散斑图案；再通过精密平移台移动投影设备LCD一段距离，重复上述操作；投影设备LCD放置在两个不同的位置时，投影设备LCD的屏幕都与参考镜面平行；此时，计算机接受到了四幅散斑图案，经过软件处理后，恢复待测镜面物体的三维形貌。
结合图2流程图，本发明所述的一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，步骤如下：
1、散斑图案的生成：
用matlab程序生成散斑图案，生成公式如下：
其中，I(x,y)为图片灰度强度；s为散斑的总个数；R为散斑的半径，单位是pixel；(xk,yk)为每个散斑的位置；为散斑中心强度(灰度值)，其数值随机。
散斑的质量会对2D DIC的计算准确度产生很大影响，据相关研究表明，需要使用平均强度较高的散斑图案。平均强度梯度δf的定义式为：
式中W和H分别为图片的宽度和高度；的表达式如下：
上式中fx(xij)和fy(xij)分别是像素xij在x和y方向上强度的微分。
设置散斑中心最大强度为180(灰度值为0到255)，图片尺寸为512pixel×512pixel，散斑数量为10000，散斑半径为2pixel，此时平均强度梯度可达到60左右。
2、采集四副散斑图案：
利用投影设备LCD，将散斑图案投射到参考镜面和待测镜面上，经过镜面反射后，由CCD相机采集到反射的散斑图案；再通过精密平移台移动LCD屏幕一段距离，重复上述操作；投影设备LCD放置在两个不同的位置时，投影设备LCD的屏幕都与参考镜面平行；此时，CCD相机捕获到了四幅散斑图案。
3、对CCD相机捕获的四幅散斑图用Ncorr软件处理：
将对应的散斑图案分别导入到Ncorr的参考图像和当前图像中，求得对应的散斑位移数据，再以mat格式导出，得到3个mat文件，里面就包含了计算所需的散斑位移数据。
4、建立散斑位移与高度之间的关系，得出待测镜面物体的高度：
根据测量原理图，我们得出以下关系式：
Δx1＝Δdtanθ (4)
由上述关系解得待测镜面物体的高度为：
其中，Δx1＝Lr1-Lr2，Δx2＝Lm1-Lm2，Δl＝Lr1-Lm1。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于散斑图案的镜面物体三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、利用计算机生成一幅散斑图，散斑图的子集梯度强度平方和不低于1×105；
步骤二、通过投影设备LCD将散斑图依次投影在参考镜面和被测镜面上，分别由CCD相机采集，再通过精密平移台移动投影设备LCD一段距离，再由投影设备LCD将散斑图依次投影在参考镜面和被测镜面上，再分别由CCD相机采集，此时共采集到四张散斑图，分别为投影设备LCD处于第一位置被测镜面和参考镜面反射的两张散斑图与投影设备LCD处于第二位置被测镜面和参考镜面反射的两张散斑图；其中，投影设备LCD放置在两个不同的位置时，投影设备LCD的屏幕都与参考镜面平行；
步骤三、使用开源的2DDIC应用程序Ncorr来计算散斑的位移，通过建立的如下散斑位移与高度之间的直接关系，得出待测镜面高度，恢复三维形貌；
其中，Δx1＝Lr1-Lr2，Δx2＝Lm1-Lm2，Δl＝Lr1-Lm1。
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