CN114111638B - 一种基于相位偏折的曲面检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位偏折的曲面检测方法，属于光学检测技术领域。包括如下步骤：搭建多个CCD相机、显示屏，然后将待检测曲面固定于固定工位上；显示屏在运动装置的牵引下运动至预定位置，显示屏根据CCD相机的拍摄频率播放按预定相位移动的正弦或余弦条纹；通过CCD相机记录待测试曲面反射条纹的图像；利用移相方法解相位，并进行相位解包裹；将相位分布转化为位置坐标分布，将位置坐标转化为倾斜角度分布，最后将倾斜角度分布合成为三维面型分布。本发明通过多个CCD相机从同角度获得待检测曲面玻璃两侧的畸变图像，更全面的获取曲面玻璃的数据，然后通过图像拼接，实现大面积被测物一次被准确测量。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其是一种基于相位偏折的曲面检测方法。
背景技术
在玻璃的检测领域，尤其是汽车玻璃的检测方面，如汽车天窗，其表面为三维曲面玻璃，为了确保能够生产出合格的汽车天窗，在天窗生产出后就需要有检测设备对其进行检测，因此其检测过程不同一样采用高清相机或激光传感器进行检测。
现有曲面检测方法更多的采用接触式检查方法，通过将汽车天窗固定，然后通过若干个升降柱，获得汽车玻璃上多个若干个点的位置，若均符合设计要求，即认为是合成产品。很明显，上述测量装置仅能够用于检测汽车玻璃的表面面型是否符合设计要求，无法获取汽车玻璃的曲面数据的分布情况。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种基于相位偏折的曲面检测方法，以解决背景技术所涉及的问题。
本发明提供一种基于相位偏折的曲面检测方法，包括如下步骤：
步骤1、搭建CCD相机、显示屏，然后将待检测曲面固定于固定工位上；
步骤2、显示屏在运动装置的牵引下运动至预定位置，显示屏根据CCD相机的拍摄频率播放按预定相位移动的正弦或余弦条纹；
步骤3、通过CCD相机记录待测试曲面反射条纹的图像；
步骤4、利用移相方法解相位，并进行相位解包裹；
步骤5、将相位分布转化为位置坐标分布，将位置坐标转化为倾斜角度分布，最后将倾斜角度分布合成为三维面型分布。
优选地或可选地，所述正弦或余弦条纹包括横向条纹和纵向条纹，且所述横向条纹和纵向条纹的相位变化图像至少为三个。
优选地或可选地，所述正弦或余弦条纹的相位变化角度的取值范围为π/8～π/2。
优选地或可选地，所述正弦或余弦条纹的相位角度分别为0、π/2、π、3π/2、2π，对应有五组正弦或余弦条纹，分别记做I1、I2、I3、I4、I5；
利用相移公式
得到相位图像Φ(x,y)。
优选地或可选地，所述相位解包裹包括如下步骤：
以条纹中心作为起始点，进行相位解包裹；
判断相邻两个像素条纹之间的相位差是否大于π,若是，沿着轨迹追迹；反之，平移2π个平移单位，以满足要求；
合成得到三维面型点图。
优选地或可选地，所述CCD相机设置有至少两组，且所述CCD相机分别与所述显示屏形成不同的反射光路能完全铺满所述待检测曲面。
优选地或可选地，在所述待检测曲面上设置有多个标记点。
优选地或可选地，所述方法还包括如下步骤：
步骤6、旋转待检测曲面，对待检测曲面的不同位置处进行测量，保证相邻的两个待检测区域之间存在重叠；
步骤7、重复步骤2至5，对每个测量区域进行计算，得到每个测量区域的三维面型分布以及标记点的位置；
步骤8、对标记点进行匹配，将多个测量区域数据统一到相同坐标系下，得到待检测曲面的三维面型分布。
优选地或可选地，所述方法还包括如下步骤：
步骤9、获得相邻两个检测区域的重叠区域，然后对重叠区域进行配准，得到平移参数和旋转参数；
步骤10、将其中一个检测区域作为待变换区域，将该变换区域的三维分布的点集进行平移和旋转参数变换，得到该变换区域的三维面型分布的新点集；
步骤11、判断该变换区域的新点集与三维分布的点集的平均距离小于阈值，若是则停止迭代计算，得到待检测曲面的三维面型分布；否则该变换区域的三维面型分布的新点集作为新的带变化区域继续迭代。
本发明涉及一种基于相位偏折的曲面检测方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
1、通过显示屏发射正弦或余弦条纹，投影至待检测曲面上，经过待检测曲面的反射、畸变，CCD相机采集畸变图像，经过解算复原曲面工件的表面面型数据，获得待检测曲面的三维分布，进而实现对工件缺陷的检测，提高了曲面工件的检测效率；
2、通过设置多组探测器，与所述显示屏形成不同的反射光路至少铺满所述待检测玻璃，所述CCD相机从同角度获得待检测曲面玻璃的畸变图像，更全面的获取曲面玻璃的数据，实现大面积被测物一次被准确测量；由于获得的反射图像为相同时间的在不同检测区域的图像，不存在运动误差、显示器图像变化的波动误差等因素的干扰，大大的提高了检测精度和检测效率；而且极大的方便后期拼接处理。
3、通过采用五步相移法进行解相位，不仅可以有效的抑制CCD相机二次非线性响应的影响，而且可以抑制相移误差对精度的影响，提高了曲面的检测精度。
4、通过设置多个标记点，参与到图像拼接的计算中，可以快速的将相邻检测区域的位置进行确定，降低了重叠区域的获取难度。
5、通过标记点辅助确定对相邻检测区域的重叠区域，然后针对重叠区域进行配准，实现对检测区域的精拼接，降低了拼接的计算难度，进而提高了检测效率。
附图说明
图1是本发明的位置示意图。
图2是本发明中一个优选的正弦条纹形状示意图。
图3是本发明中另一个优选的正弦条纹形状示意图。
图4是本发明的格雷码条纹的形状示意图。
图5是本发明中一个优选检测方法的流程图。
图6是本发明中另一个优选的检测方法的流程图。
附图标记为：CCD相机1、显示屏2、固定工位3。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
参阅附图1至6，一种基于相位偏折的曲面检测方法，包括如下步骤：
S100、搭建CCD相机、显示屏，然后将待检测曲面固定于固定工位上。
具体地，参阅附图1，所述CCD相机和显示屏通过机械臂或三坐标测量机分别安装在待检测曲面的两侧。为了保证所采集的图像的分辨率，所述CCD相机选用500万像素的黑白工业相机。所述显示屏为LCD液晶屏，通过计算机编程可实现图像变化，生成正弦或余弦条纹等编码图像；通过机械臂调整CCD相机和显示屏位置和实现对焦，形成反射光路。当待检测曲面的曲率过大时，单个CCD相机难以获得完整的待检测曲面的完整的反射图像，因此在本实施例中，所述CCD相机设置有至少两组，分别位于所述CCD相机中心点与待检测曲面中心点连接线的两侧。通过多个CCD相机从同角度获得待检测曲面玻璃两侧的畸变图像，更全面的获取曲面玻璃的数据，然后通过图像拼接，实现大面积被测物一次被准确测量。其中，所述固定工位可以为可旋转的固定工位，方便CCD相机的内部参数和位置进行标定。
S200、显示屏在运动装置的牵引下运动至预定位置，显示屏根据CCD相机的拍摄频率播放按预定相位移动的正弦或余弦条纹。
具体地，参阅附图2至3，所述正弦或余弦条纹包括横向条纹和纵向条纹，且所述横向条纹和纵向条纹的相位变化图像至少为三个；其中，所述正弦或余弦条纹的相位变化角度的取值范围为π/8～π/2。为了计算的方便性，优选地，所述相位变化角度为π/2。当然对于本领域技术人员而言，所述正弦或余弦条纹还可以为格雷码条纹，所述格雷码条纹的形状棋盘黑白格子状。正选初相位，参阅附图4所述格雷码条纹包括4个角度，比如初相位为1.1°、91.1°等等。
S300、通过CCD相机记录待测试曲面反射条纹的图像；
具体地，显示屏发射正弦或余弦条纹，投影至待检测曲面上，经过待检测曲面的反射、形成畸变图像，然后CCD相机采集畸变图像。在检测物体前，需要对CCD相机的内部参数和位置进行标定。所述内部参数的标定方法包括如下步骤：在所述固定工位上安装多个LED光源，按照预定的运动速率和时间间隔，在CCD相机的视野范围内移动，通过CCD相机获取LED光源的图像，并通过算法得到LED光源的计算坐标，然后与实际坐标进行比对，最后计算出CCD相机内各个参数；所述参数包括焦距、像元尺寸、主点、径向畸变和切向畸变。所述CCD相机位置的标定方法包括如下步骤：将标准格雷码条纹安装在固定工位上，由已标定的CCD相机获取采集标准格雷码条纹的图像，提取采集到的标准格雷码条纹的角点坐标，实现CCD相机相对于固定工位的位置标定；然后将标准平面镜放置在固定工位上，并在显示屏上生成标准格雷码条纹，通过采集经标准平面镜反射的标准格雷码条纹，实现对CCD相机、显示器和固定工位三者之间的位置标定。
S400、利用移相方法解相位，并进行相位解包裹；将相位分布转化为位置坐标分布，将位置坐标转化为倾斜角度分布，最后将倾斜角度分布合成为三维面型分布。
具体地，以正弦条纹为例，正弦条纹经过待测镜反射后，在CCD相机内成像，其光强表示为：
I(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[Φ(x,y)+δ(t)]
其中，I(x,y)为CCD相机所检测到的光强，A(x,y)为背景光强度，B(x,y)为振幅调制，Φ(x,y)为相位分布，δ(t)为随时间变化的附加相移。由于上式中存在三个未知数A(x,y)、B(x,y)和Φ(x,y)，因此所述横向条纹和纵向条纹的相位变化图像至少为三个。
在一个优选实施例中，所述正弦或余弦条纹的相位角度分别为0、π/2、π，对应有三组正弦或余弦条纹，分别记做I1、I2、I3；
利用相移公式
得到相位图像Φ(x,y)。采用三组正弦或余弦条纹进行计算时，由于处理采集图像少，处理速度快，但对相移误差也相对较大。
在另一个优选实施例中，参阅附图2，所述正弦或余弦条纹的相位角度分别为0、π/2、π、3π/2，对应有五组正弦或余弦条纹，分别记做I1、I2、I3、I4；
利用相移公式
得到相位图像Φ(x,y)。采用四组正弦或余弦条纹进行计算时，能有效抑制CCD相机二次非线性响应影响，但不能抑制相移误差对精度的影响。
因此，在本实施例中，参阅附图3，所述正弦或余弦条纹的相位角度分别为0、π/2、π、3π/2、2π，对应有五组正弦或余弦条纹，分别记做I1、I2、I3、I4、I5；
利用相移公式
得到相位图像Φ(x,y)。采用五组正弦或余弦条纹进行计算时，不仅可以有效的抑制CCD相机二次非线性响应的影响，而且可以抑制相移误差对精度的影响，提高了曲面的检测精度。也就是说，同一次开机检测的正弦或余弦条纹的光强始终为同一函数，可以避免相移误差，在拼接过程中，不会出现误差波动，提高了同一批次检测的精准性相对更高。
通过解相位，得到若干个费连续的相位分布，在获取绝对相位时，需要是消除原始数据形成时出现的2π非连续性，通过如下准则用来重构丢失的平移项。
其中，ΔΦ(i)为相位差，即在每个相位分布上非连续点上的峰值的距离，k(i)为平行单位。换言之，所述相位解包裹包括如下步骤：以条纹中心作为起始点，进行相位解包裹；判断相邻两个像素条纹之间的相位差是否大于π,若是，沿着轨迹追迹；反之，平移2π个平移单位，以满足要求；合成得到三维面型点图。
在现有技术中，由于大尺寸LCD液晶屏的制造成本和维护相对较高，不适合大规模推广，为了检测一些大面积或曲率过大的曲面元件时，单次测量无法得到完整的畸变图像，需要通过调整显示屏或待检测玻璃的位置，实现多次检测，然后采用的拼接技术进行拼接，由于运动误差、显示器图像变化的波动误差等因素的干扰，会影响拼接精度和曲面的检测精度。因此，在本实施例中设置多个CCD相机，且所述CCD相机分别与所述显示屏形成不同的反射光路能完全铺满所述待检测曲面。在检测过程中获得的多个反射图像为相同时间的在不同检测区域的图像，不存在运动误差、显示器图像变化的波动误差等因素的干扰，大大的提高了检测精度和检测效率。
具体地，参阅附图6，所述曲面检测方法还包括如下步骤：
S500、获得多个角度的检测区域，并通过辅助标记点对多个检测区域进行粗拼接；
具体地，在所述待检测曲面上设置有多个标记点。对待检测曲面的不同位置处进行测量，保证相邻的两个待检测区域之间存在重叠；重复S200至S400，对每个测量区域进行计算，得到每个测量区域的三维面型分布以及标记点的位置；对标记点进行匹配，将多个测量区域数据统一到相同坐标系下，得到待检测曲面的三维面型分布。
S600、确定重叠区域，通过重叠区域对多个检测区域进行精拼接；
获得相邻两个检测区域的重叠区域，然后对重叠区域进行配准，得到平移参数和旋转参数；将其中一个检测区域作为待变换区域，将该变换区域的三维分布的点集进行平移和旋转参数变换，得到该变换区域的三维面型分布的新点集；判断该变换区域的新点集与三维分布的点集的平均距离小于阈值，若是则停止迭代计算，得到待检测曲面的三维面型分布；否则该变换区域的三维面型分布的新点集作为新的带变化区域继续迭代。
由于待检测曲面之间的拼接算法十分繁琐，因此，通过在待检测曲面上设置多个标记点，通过标记点辅助实现对相邻检测区域的粗拼接，将各个检测区域大致对齐，为后续的拼接提供一个良好的初始位置。为了减小粗拼接的误差，两个待检测区域之间存在重叠区域的标记点的个数不小于三个。然后通过粗拼接确定下来的重叠区域，对重叠区域进行配准，实现对检测区域的精拼接，降低了对重叠区域的获取难度，进而降低了拼接的计算难度，进而提高了检测效率。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (1)
1.一种基于相位偏折的曲面检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、搭建CCD相机、显示屏，然后将待检测曲面固定于固定工位上；所述CCD相机设置有至少两组，且所述CCD相机分别与所述显示屏形成不同的反射光路能完全铺满所述待检测曲面；在所述待检测曲面上设置有多个标记点；
步骤2、显示屏在运动装置的牵引下运动至预定位置，显示屏根据CCD相机的拍摄频率播放按预定相位移动的正弦或余弦条纹；所述正弦或余弦条纹的相位角度分别为0、π/2、π、3π/2、2π，对应有五组正弦或余弦条纹，分别记做I1、I2、I3、I4、I5；
步骤3、通过CCD相机记录待测试曲面反射条纹的图像；
步骤4、利用移相方法解相位，并进行相位解包裹，利用相移公式
得到相位图像Φ(x,y)；得到若干个非连续的相位分布，在获取绝对相位时，需要消除原始数据形成时出现的2π非连续性，通过如下准则用来重构丢失的平移项；
其中，ΔΦ(i)为相位差，即在每个相位分布上非连续点上的峰值的距离，k(i)为平行单位；
步骤5、将相位分布转化为位置坐标分布，将位置坐标转化为倾斜角度分布，最后将倾斜角度分布合成为三维面型分布；
步骤6、对待检测曲面的不同位置处同时进行测量，保证相邻的两个待检测区域之间存在重叠；
步骤7、重复步骤2至5，对每个测量区域进行计算，得到每个测量区域的三维面型分布以及标记点的位置；
步骤8、对标记点进行匹配，将多个测量区域数据统一到相同坐标系下，得到待检测曲面的三维面型分布。
步骤9、获得相邻两个检测区域的重叠区域，然后对重叠区域进行配准，得到平移参数和旋转参数；
步骤10、将其中一个检测区域作为待变换区域，将该变换区域的三维分布的点集进行平移和旋转参数变换，得到该变换区域的三维面型分布的新点集；
步骤11、判断该变换区域的新点集与三维分布的点集的平均距离小于阈值，若是则停止迭代计算，得到待检测曲面的三维面型分布；否则该变换区域的三维面型分布的新点集作为新的待变换区域继续迭代。
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Non-Patent Citations (1)
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| 三维微表面相移干涉术研究;方吉光;优秀硕士学位论文全文库;第1、37-42页 * |
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