CN114264253B - 高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法，该物体三维轮廓非接触测量装置，包括：用于投射单色激光条纹图案至被测物体上的激光投射单元；用于采集所述被测物体上的激光条纹图像的图像采集单元；及图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到三维重建点云，并根据所述三维重建点云数据进行插值拟合得到三维重建信息。本发明提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法，解决了传统的单目结构光无法用于高温或超高温物体轮廓测量的问题，其可以基于单目结构光原理，得到高温或超高温物体的三维重建点云，适用于高温或超高温物体三维重建。

Description

高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法。

背景技术

基于数字光栅投影的结构光三维测量技术具有非接触、高效率、大视场及测量精度高等优势，其在工业三维测量、生产制造等领域具有广大的应用前景。若采用单目结构光对高温或超高温物体三维测量，缺点主要在于：结构光为投影仪投射可见光，高温物体的黑体辐射会湮没结构光信息，使单目结构光无法在高温情况下使用。因此在现有技术中，使用激光投射器和双目视觉对高温或超高温物体进行轮廓测量，双目立体视觉能够真实的模仿双眼获得物体三维信息的功能，激光投射器投射的点作为特征被识别，便可得到三维重建点云。但这种方法的基础仍然是传统的双目视觉，其缺点主要如下：一方面，使用两个工业相机就需要两套滤波片，成本高；另一方面，设备体积大，在极端情况下没有空间放置两个相机。

发明内容

本发明实施例提供了一种高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法，解决了传统的单目结构光无法用于高温或超高温物体轮廓测量的问题，其可以基于单目结构光原理，得到高温或超高温物体的三维点云，适用于高温或超高温物体三维轮廓测量。

本发明实施例所提供的技术方案如下：

本发明实施例一个方面提供了一种高温物体三维轮廓非接触测量装置，包括：

用于投射单色激光条纹图案至被测物体上的激光投射单元；

用于采集所述被测物体上的激光条纹图像的图像采集单元；及

图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到物体三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到三维轮廓信息。

示例性的，所述激光投射单元包括单波长激光器及沿激光传输路径依次设置的扩束镜和空间光调制器，所述空间光调制器将所述扩束镜扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，所述激光束能够投射出激光条纹图案至所述被测物体上。

示例性的，所述图像采集单元包括用于采集所述被测物体上的激光条纹图案以得到激光条纹图像的单目相机及设置于所述单目相机的镜头前的多重滤波镜组。

示例性的，所述多重滤波镜组包括衰减片、单波长滤波片和偏振片。

示例性的，所述单波长滤波片的通带中心波长等于激光波长。

示例性的，所述物体三维轮廓非接触测量装置还包括相机标定单元。

本发明实施例另一方面提供了一种高温物体三维轮廓非接触测量方法，采用如上所述的高温物体三维轮廓非接触测量装置获取被测物体的三维轮廓信息；所述方法包括如下步骤：

投射单色激光条纹图案至被测物体上；

采集所述被测物体的激光条纹图像信息；

基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到三维重建点云，并根据所述三维重建点云数据进行插值拟合得到三维重建信息。

示例性的，所述投射单色激光条纹图案至被测物体上，具体包括：

通过所述单波长激光器发射激光束；

通过所述激光扩束起将激光束扩束；

通过所述空间光调制器将所述扩束镜扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，并投射激光条纹图案至所述被测物体上。

示例性的，所述采集所述被测物体的激光条纹图像信息，具体包括：

调整所述多重滤波镜组和所述单目相机的镜头，以使所述单目相机成像清晰，并通过所述单目相机拍摄所述被测物体上的激光条纹图像。

示例性的，在所述采集所述被测物体的激光条纹图像信息之前，所述方法还包括：对所述空间光调制器和所述单目相机进行标定。

本发明实施例所带来的有益效果如下：

根据本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法，可将具有结构信息的单色激光条纹图案投射至被测物体上，并采集被测物体上的激光条纹图像，基于单目结构光原理，得到被测物体的三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到三维轮廓信息。这样，可适用于高温或超高温物体的三维轮廓测量，为单目视觉超高温物体三维轮廓测量提供了有效的方法，弥补了传统的单目视觉方法无法应用于高温场景的问题；并且能够满足物体三维重建所需要的测量精度，将会更好推动基于单目视觉方法的物体三维重建技术的发展。

附图说明

图1表示单目结构光三维测量系统数学模型；

图2表示本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置的结构示意图；

图3表示一种实施例中被调制好的激光束投影至被测物体上时的投影图案示意图；

图4表示本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量方法的主要流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在对本发明实施例提供的物体三维轮廓非接触测量装置及测量方法进行详细说明之前，有必要对于相关技术进行以下说明：

在相关技术中，基于数字光栅投影的结构光三维测量技术具有非接触、高效率、大视场及测量精度高等优势，其在工业三维测量、生产制造等领域具有广大的应用前景。结构光，顾名思义，即对光束进行主动编码，将编码过的结构光图案投射到被测物体，再由相机拍摄经过高度调制的变形图案，根据图案受到物体高度调制的程度，再结合系统的结构参数即可得到物体的三维数据信息。

图1所示为单目结构光三维测量系统数学模型。结合图1，单目结构光三维测量系统是基于三角测距原理实现形貌的测量，工业相机采集到的图像包含受到物体高度调制的结构光的相位信息，通过对工业相机采集到的图像进行分析，得到被测物体的三维信息。

设OX为放置被测物体的参考平面，OZ与其垂直，Y轴垂直于XOZ，使其成为正交坐标系。OC是工业相机的光轴，与OZ平行。OP为投影光机的光轴，与OC相交于O点。其中C、P分别表示工业相机和投影光机的中心，且有CP与OX面平行。假设OC的距离为l，CP的距离为d。A表示投影光栅与物体表面的交点，PA、CA与OX分别相交于E、B两点。EB两点间的距离为s(x,y)。A到参考面的距离为h(x,y)。由于受到高度的调制，本应投射点E的光线，投射到了点A，A点对应的相位是不存在高度调制时点B的相位，由ΔPAC相似于ΔEAB可得下式：

放置物体前后的相位差：

得到：

其中λ为光栅节距。

最终得到深度与相位差的关系：

使用单目结构光进行高温或超高温物体的三维测量时，缺点主要在于：结构光为投影仪投射可见光，高温物体的黑体辐射会湮没结构光信息，因此，单目结构光无法在高温情况下使用。因此在现有技术中，使用激光投射器和双目视觉对高温或超高温物体进行轮廓测量，双目立体视觉能够真实的模仿双眼获得物体三维信息的功能，激光投射器投射的点作为特征被识别，便可得到三维重建点云。但这种方法的基础仍然是传统的双目视觉，其缺点主要如下：一方面，使用两个工业相机就需要两套滤波片，成本高；另一方面，设备体积大，在极端情况下没有空间放置两个相机。

针对相关技术中单目结构光无法应用于高温或超高温物体的三维重建的问题，本发明实施例提供了一种高温物体三维轮廓非接触测量装置及其测量方法，解决了传统的单目结构光无法用于高温或超高温物体轮廓测量的问题，其可以基于单目结构光原理，得到高温或超高温物体的三维点云，适用于高温或超高温物体三维轮廓测量。

如图2所示，本发明实施例所提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置主要包括：

用于投射单色激光条纹图案至被测物体10上的激光投射单元20；

用于采集所述被测物体10上的激光条纹图像的图像采集单元30；及

图像处理单元(图中未示出)，与所述图像采集单元30连接，用于基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到三维轮廓信息。

本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置，可解决传统的单目结构光无法用于高温或超高温物体轮廓测量的问题，其可以基于单目结构光原理，得到高温或超高温物体的三维点云，适用于高温或超高温物体三维轮廓测量。可将具有结构信息的单色激光条纹图案投射至被测物体10上，并采集被测物体10上的激光条纹图像，基于单目结构光原理，得到被测物体10的三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到三维轮廓信息。这样，可适用于高温或超高温物体的三维轮廓测量，为单目视觉超高温三维轮廓测量提供了有效的方法，弥补了传统的单目视觉方法无法应用于高温场景的问题；并且能够满足物体三维重建所需要的测量精度，将会更好推动基于单目视觉方法的物体三维轮廓测量技术的发展。

在一些实施例中，所述激光投射单元20包括单波长激光器21及沿激光传输路径依次设置的扩束镜22和空间光调制器23。其中，单波长激光器21用于发射单色激光束。扩束镜22用于将单波长激光器21发射的单色激光束进行扩束。所述空间光调制器23的作用是可将所述扩束镜22扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，该具有结构信息的激光束能够投射出效果良好的激光条纹图案至所述被测物体10上。空间光调制器23可以包括但不限于数字微镜元件(英文全称：Digital Micromirror Device，简称DMD)调制成像系统。

示例性的，所述激光投射单元包括沿激光传输路径依次设置的：单波长激光器21、第一单波长反射镜24、第二单波长反射镜25、扩束镜22、第三单波长反射镜26、复眼透镜27、空间光调制器23和投影镜头28。其中单波长激光器21发射单波长激光，经第一单波长反射镜24和第二单波长反射镜25反射改变光路至扩束镜22，激光经扩束镜22扩束后射入第三单波长反射镜26之后，并通过复眼透镜27、空间光调制器23和投影镜头28，使得该具有结构信息的激光束投射出激光条纹图案至被测物体10上。图3所示为一种实施例中被调制好的激光束投影至被测物体10上时的投影图案示意图。

示例性的，所述图像采集单元30包括单目相机31和多重滤波镜组32，其中单目相机31用于采集所述被测物体10上的激光条纹图案以得到激光条纹图像，所述多重滤波镜组32设置于所述单目相机31的成像镜头311前。示例性的，所述多重滤波镜组32可包括衰减片321、单波长滤波片322和偏振片323。在拍摄被测物体10上的激光条纹图像信息之前，可首先调整单目相机31位置及相机镜头，使得相机视场内包含被测物体10且成像清晰，然后，再在单目相机31的镜头前加上滤波镜组，并调整偏振片323位置使成像清晰。

示例性的，所述单波长滤波片的通带中心波长等于激光波长，大约为532±1nm。衰减片321的通带波长为532±5nm，以保证成像清晰。

上述方案中，所述激光投射单元的目的是将激光条纹覆盖被测物体的表面，并使高温环境下激光条纹仍能清晰成像。区别于普通的传统单目结构光，也区别于普通的点激光、线激光扫描，该“激光条纹”限定为：将激光扩束后，通过空间光调制器投影至被测物体，同时，单目相机使用多重滤波镜组进行滤波拍摄被测物体。

此外，在一些实施例中，所述高温物体三维轮廓非接触测量装置还包括相机标定单元，可通过相机标定单元来对空间光调制器23及单目相机31进行标定。

示例性的，单目相机31标定方法可采用张氏标定法进行标定，步骤可以如下：

步骤S01、不同角度拍摄若干张模板图像；

步骤S02、检测出图像中的特征点，计算得到单目相机31的内参数、外参数及畸变系数；

步骤S03、利用最大似然估计优化求精。

对空间光调制器23及其镜头进行标定的步骤可以如下：

步骤S04、准备与空间光调制器23辨率相同的棋盘图案，投影至标定板，单目相机31记录投影棋盘格图案；

步骤S05、利用已标定的单目相机31的反向投影来标定空间光调制器23及其镜头，具体包括：

步骤S051、求出平面标定板在相机坐标系下的方程；

步骤S052、检测出空间光调制器23投射棋盘格的角点；

步骤S053、求通过棋盘角点的射线；

步骤S054、求线与平面的交点即为三维世界坐标点，最后标定空间光调制器23及其镜头。

本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置中，使用了单色激光光源配合多重滤波镜组32使用，提供了一种基于激光结构光的高温物体三维轮廓测量的方法，解决了传统的单目结构光无法用于超高温测量的问题。其中，激光投射单元20中采用空间光调制器23来调制激光，使得激光束具有结构信息，可以投射出包含结构信息激光条纹的光路，使被测物上的激光条纹能反映物体高度，从而得到物体三维轮廓信息。通过多重滤波镜组32的应用，为超高温物体的清晰成像题提供了新的方法。

本发明实施例提供的高温物体三维轮廓非接触测量装置为单目视觉高温或超高温物体三维轮廓测量提供了有效的方法，弥补了传统单目视觉方法无法应用于高温场景的问题，并且能够满足物体三维重建所需要的测量精度，更好推动基于单目视觉方法的物体三维轮廓测量技术的发展。

本发明实施例另一方面提供了一种高温物体三维轮廓非接触测量方法，采用如上所述的高温物体三维轮廓非接触测量装置获取被测物体10的三维重建信息；所述方法包括如下步骤：

步骤S1、投射单色激光条纹图案至被测物体10上；

步骤S2、采集所述被测物体10的激光条纹图像信息；

步骤S3、基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到三维轮廓信息。

示例性的，步骤S1具体包括：

步骤S11、通过所述单波长激光器21发射激光束；

步骤S12、通过所述激光扩束起将激光束扩束；

步骤S13、通过所述空间光调制器23将所述扩束镜22扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，并投射激光条纹图案至所述被测物体10上。

示例性的，步骤S2具体包括：

步骤S21、调整所述多重滤波镜组32和所述单目相机31的镜头，以使所述单目相机31成像清晰，并通过所述单目相机31拍摄所述被测物体10上的激光条纹图像。

示例性的，在步骤S2之前，所述方法还包括：对所述空间光调制器23和所述单目相机31进行标定。

示例性的，单目相机31标定方法可采用张氏标定法进行标定，步骤可以如下：

步骤S01、不同角度拍摄若干张模板图像；

步骤S02、检测出图像中的特征点，计算得到单目相机31的内参数、外参数及畸变系数；

步骤S03、利用最大似然估计优化求精。

对空间光调制器23及其镜头进行标定的步骤可以如下：

步骤S04、准备与空间光调制器23辨率相同的棋盘图案，投影至标定板，单目相机31记录投影棋盘格图案；

步骤S05、利用已标定的单目相机31的反向投影来标定空间光调制器23及其镜头，具体包括：

步骤S051、求出平面标定板在相机坐标系下的方程；

步骤S052、检测出空间光调制器23投射棋盘格的角点；

步骤S053、求通过棋盘角点的射线；

步骤S054、求线与平面的交点即为三维世界坐标点，最后标定空间光调制器23及投影镜头。

步骤S3具体包括：根据标定结果和条纹图像进行三维重建，可以先求出每条条纹所在光平面方程，然后求出物体条纹上其中一点的直线方程，直线方程与平面方程联立可得到三维坐标。

参见图4，以下说明本发明一种实施例中所提供的高温物体三维轮廓非接触测量方法，其主要包括如下几个步骤：

在进行测量前：

调整光路，使激光扩束并射入空间光调制器23配套的棱镜，调整空间光调制器23的镜头，使DMD空间光调制器23能够在被测物体10位置投射出效果良好的激光条纹图案到被测物体10；

调整单目相机31位置，调整相机镜头，使视场包含物体且成像清晰，再在单目相机31前加上滤波镜组，具体可为衰减片、单波长(激光波长)滤波片和偏振片等，并调整偏振片位置使成像清晰；

使用平面标定板标定相机，具体地，可使用张氏标定法，首先从不同角度拍摄若干张模板图像，然后检测出图像中的特征点，再求出摄像机的内参数和外参数以及畸变系数，最后利用最大似然估计优化求精。准备好和空间光调制器23分辨率相同的棋盘图案，投影至标定板，相机记录投影棋盘格图案。标定空间光调制器23及其镜头：利用已标定相机的反向投影来标定，具体的，先求出平面标定板在相机坐标系下的方程，然后检测出空间光调制器23投射棋盘格的角点，再求通过棋盘角点的射线，再求线与平面的交点即为三维世界坐标点，最后标定空间光调制器23及其镜头。

开始测量：

使用空间光调制器23投射激光条纹至被测物体10，激光条纹之间的距离应使相机能清晰辨，单目相机31记录高温或超高温被测物体10的图像信息，帧率为系统支持最大帧率。

进行三维重建，根据单目相机31和空间光调制器23的标定结果，结合拍摄图像，使用单目结构光原理还原每个激光条纹上每个点的深度信息，得到三维点云，并将三维点云信息进行插值拟合，最后输出完整的三维轮廓信息。

有以下几点需要说明：

(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。

(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，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，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高温物体三维轮廓非接触测量装置，其特征在于，包括：

用于投射单色激光条纹图案至被测物体上的激光投射单元；

用于采集所述被测物体上的激光条纹图像的图像采集单元；及

图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到物体三维轮廓信息；

所述激光投射单元包括单波长激光器及沿激光传输路径依次设置的扩束镜和空间光调制器，所述空间光调制器将所述扩束镜扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，所述激光束能够投射出激光条纹图案至所述被测物体上；

所述图像采集单元包括用于采集所述被测物体上的激光条纹图案以得到激光条纹图像的单目相机及设置于所述单目相机的镜头前的多重滤波镜组；

所述多重滤波镜组包括衰减片、单波长滤波片和偏振片；述单波长滤波片的通带中心波长等于激光波长，为532±1nm；衰减片的通带波长为532±5nm，以保证成像清晰；

所述激光投射单元的目的是将激光条纹覆盖被测物体的表面，并使高温环境下激光条纹仍能清晰成像；

所述物体三维轮廓非接触测量装置还包括相机标定单元。

2.一种高温物体三维轮廓非接触测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的高温物体三维轮廓非接触测量装置获取被测物体的三维轮廓信息；所述方法包括如下步骤：

投射单色激光条纹图案至被测物体上；

采集所述被测物体的激光条纹图像信息；

基于单目结构光原理对所述激光条纹图像进行处理以得到物体三维点云，并根据所述三维点云数据进行插值拟合得到物体三维轮廓信息。

3.根据权利要求2所述高温物体三维轮廓非接触测量方法，其特征在于：所述投射单色激光条纹图案至被测物体上，具体包括：

通过所述单波长激光器发射激光束；

通过激光扩束镜将激光束扩束；

通过所述空间光调制器将所述扩束镜扩束后的激光调制成具有结构信息的激光束，并投射激光条纹图案至所述被测物体上。

4.根据权利要求2所述的高温物体三维轮廓非接触测量方法，其特征在于，所述采集所述被测物体的激光条纹图像信息，具体包括：

调整所述多重滤波镜组和所述单目相机的镜头，以使所述单目相机成像清晰，并通过所述单目相机拍摄所述被测物体上的激光条纹图像。

5.根据权利要求2所述的高温物体三维轮廓非接触测量方法，其特征在于，在所述采集所述被测物体的激光条纹图像信息之前，所述方法还包括：

对所述空间光调制器和所述单目相机进行标定。