CN116625943A - 基于四目结构光的3d成像模组及3d成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四目结构光的3D成像模组及3D成像方法，所述3D成像模组包括相机、投影仪、反射镜和计算机，所述相机为四个，四个相机设置在四个不同方位，用于同时从不同方向采集待测物体图像；所述投影仪设置在四个相机中间的位置，用于投射结构光；所述反射镜设置在所述结构光的光路上，用于将所述结构光反射到待测物体上；所述计算机分别与投影仪、四个相机连接，用于控制投影仪和四个相机工作，以及将四个相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像。本发明可以改变结构光的投射方向，消除相机拍摄的视野盲区，可为3D重建提供良好的视野、景深基础，并且极大的减少了相机拍摄的视野盲区，结构设计占用空间少、稳定性及适用性极强。

Description

基于四目结构光的3D成像模组及3D成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于四目结构光的3D成像模组及3D成像方法，属于3D自动光学检测技术领域。
背景技术
自动光学检测(Automatic Optic Inspection，AOI)发端于20世纪70年代所发明的CCD、CMOS等数字摄影传感技术，指的是利用二维或者三维的成像方法以非接触的形式获取目标物测量信息的技术。最初在手眼系统中被广泛应用，随着技术进步与电子产业兴起，90年代起开始应用在集成电路板、元器件等电子类产品检测中。由于集成电路板、元器件等电子类产品越来越小型化、复杂化，传统的AOI检测技术在检测这一类电子产品时，其无法对缺陷进行定量检测，很容易出现错检、漏检问题，仍需要人工目检方式辅助检验。3D AOI利用结构光的方法获取目标物精确的三维模型并进行测量，可以有效降低漏检和错检率。
然而在通常情况下，AOI成像模组由四个工业相机和一个投影仪组成，当待测物体是形状不规则或者很复杂时，结构光可能不会完全覆盖在待测物体上，这时相机拍摄就存在视野盲区。因此如何消除视野盲区，获取精准的图像是实现3DAOI成像模组的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于四目结构光的3D成像模组，该3D成像模组可以改变结构光的投射方向，消除相机拍摄的视野盲区，可为3D重建提供良好的视野、景深基础，并且极大的减少了相机拍摄的视野盲区，结构设计占用空间少、稳定性及适用性极强。
本发明的另一目的在于提供一种3D成像方法，该方法基于上述的3D成像模组实现。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于四目结构光的3D成像模组，包括相机、投影仪、反射镜和计算机，所述相机为四个，四个相机设置在四个不同方位，用于同时从不同方向采集待测物体图像；所述投影仪设置在四个相机中间的位置，用于投射结构光；所述反射镜设置在所述结构光的光路上，用于将所述结构光反射到待测物体上；所述计算机分别与投影仪、四个相机连接，用于控制投影仪和四个相机工作，以及将四个相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像。
进一步的，所述计算机包括控制模块、存储模块、图像融合模块和成像模块；所述控制模块用于控制投影仪和四个相机工作；所述存储模块用于将四个相机采集的待测物体图像进行存储；所述图像融合模块用于将存储模块存储的图像进行处理，将曝光过度和曝光不足区域的原始图像融合成没有曝光过度区域的图像；所述成像模块用于将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
进一步的，所述结构光以第一角度投射至所述反射镜，所述反射镜以第二角度将所述结构光投射至待测物体，所述第一角度和所述第二角度为可调整的光入射角度。
进一步的，还包括支架，所述支架包括相机支架、投影仪支架和反射镜支架，四个相机通过相机支架固定在四个不同方位，所述投影仪通过投影仪支架在四个相机中间的位置，所述反射镜通过反射镜支架安装在所述结构光的光路上。
进一步的，所述支架上设置有可动球关，所述投影仪支架通过可动开关小幅度改变投影仪的结构光投射方向，所述反射镜支架通过可动开关大幅度调整反射镜反射结构光方向。
进一步的，所述相机呈30度夹角向内侧排列，相邻相机之间的间距相等。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种3D成像方法，基于上述的3D成像模组实现，所述方法包括：
控制投影仪投射结构光，使反射镜将所述结构光反射到待测物体上；
控制四个相机同时从不同方向采集待测物体图像；
将四个相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像。
进一步的，所述将相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像，具体包括：
将四个相机采集的待测物体图像以数字矩阵的形式进行存储；
对存储的四幅图像做相同的操作，获取待测物体表面待测区域，将图像分为背景区域和目标区域两部分，提取感兴趣区域；
检测目标区域的曝光情况，判断曝光过度和曝光不足的区域；
对四幅图像赋予不同的权重，将四幅图像两两相与，进行图像融合，去掉曝光过度和曝光不足的区域，融合成没有曝光过度区域的图像；
将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
进一步的，所述数字矩阵中的数字为像素值，像素值代表每个像素的强度，0代表黑色，255代表白色；
所述检测目标区域的曝光情况，判断曝光过度和曝光不足的区域，具体为：检测目标区域的曝光情况，将图像中像素值为255的区域标记为曝光过度的区域，图像中像素值为0的区域标记为曝光不足的区域。
进一步的，所述将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像，具体包括：
针对融合后的图像，通过计算对应点之间的位置偏差，使用三角原理计算点的三维坐标，获得待测物体的三维点云坐标；
对待测物体的三维点云坐标数据进行处理，获得待测物体的相关信息，从而建立真实的三维成像。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明在已有的四个相机和投影仪中加入反射镜，反射镜安装在投影仪投射结构光的光路上，通过支架上的可动球关可以微调投影仪和大幅度改变反射镜的位置，可以消除相机拍摄的视野盲区，可为3D重建提供良好的视野、景深基础，并且极大的减少了相机拍摄的视野盲区，结构设计占用空间少、稳定性及适用性极强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的3D成像模组的结构示意图。
图2为本发明实施例的结构光经反射镜调节示意图。
图3为本发明实施例的3D成像模组的工作流程图。
其中，10-3D成像模组，20-相机，30-投影仪，40-反射镜，50-支架，60-计算机，70-待测物体。
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中的附图，对本发明实施例中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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种基于四目结构光的3D成像模组10，包括相机20、投影仪30、反射镜40和计算机60，工业相机20为四个，用于拍摄待测物体70表面的条纹图像；投影仪30，用于投射若干预设的结构光图像；反射镜40，用于将结构光反射到待测物体70表面；计算机60，用于控制工业相机20和投影仪30的工作，以及将四个工业相机20拍摄的图像进行整合处理，得到3D图像。
进一步地，为了固定四个相机20、投影仪30和安装反射镜40，本实施例的3D成像模组10还包括支架50，支架50可以包括相机支架、投影仪支架和反射镜支架，相机支架将四个相机20固定，并使相机20呈30度夹角向内侧排列，相邻相机20之间的间距相等；投影仪支架将投影仪30固定在四个工业相机20中间的位置；反射镜支架50将反射镜40安装在结构光投射光路上。
进一步地，支架50上设置有可动球关501，通过旋转可动球关501可以调节投影仪30的投射角度和反射镜40的反射方向，以确保把结构光完全覆盖在待测物体70上，具体地，投影仪支架通过可动开关501可以小幅度改变投影仪30的结构光投射方向，反射镜支架通过可动开关501可以大幅度调整反射镜40反射结构光方向。
进一步地，计算机60分别与投影仪30、四个相机20相连，用于控制投影仪30和四个相机20工作，投影仪30每投影一幅图像，相机20就进行一帧图像的采集，实现对于待测物体70表面的均匀扫描。
进一步地，计算机60包括控制模块、存储模块、图像融合模块和成像模块；控制模块用于控制投影仪和四个相机工作；存储模块用于将四个相机采集的待测物体图像进行存储；图像融合模块用于将存储模块存储的图像进行处理，将曝光过度和曝光不足区域的原始图像融合成没有曝光过度区域的图像；成像模块用于将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
本实施例中，投影仪30为DLP投影仪，型号为DLP Light Crafter 4500，可以事先烧录进去自己想要投影的图片，而且可以投影多组结构光条纹图片，使用方便，稳定性也高。
本实施例中，反射镜40为平面反射镜，通过反射镜支架安装在投影仪30投影结构光的光路上，来移动反射镜40的位置，可以大幅度改变结构光的投射方向。当待测物体70是不规则或者很复杂的物体时，改变结构光的投射方向，可以把结构光完全覆盖在待测物体70的表面。
本实施例中，反射镜40设置在结构光的光路上，结构光以第一角度投射至所述反射镜40，反射镜40以第二角度将所述结构光投射至待测物体70，第一角度和所述第二角度为可调整的光入射角度。
本实施例中，四个相机20为四个工业相机，具体为四个黑白工业相机，四个相机20之间和四个相机20与投影仪30之间的相对位置不变；四个相机20固定在圆周上的不同方位，相机20呈30度夹角向内侧排列，相邻相机20间间距相等，投影仪30位于圆心位置上；反射镜40安装在投影仪30的结构光的光路上。
如图2所示，反射镜40安装在投影仪30所投射结构光的光路上，投影仪30投射结构光之后，结构光照射在反射镜40上，结构光通过反射镜40反射打到待测物体70上。
如图3所示，本实施例的3D成像模组的3D成像过程为：计算机60启动投影仪30和四个相机20，控制投影仪投射结构光，使反射镜将所述结构光反射到待测物体上；控制四个相机20同时从不同方向采集待测物体70图像；将四个工业相机20采集的待测物体70图像发送到计算机60之后，将待测物体70图像进行整合处理，得到3D图像。
进一步地，将相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像，具体为：将四个相机采集的待测物体图像以数字矩阵的形式存储在存储模块中，其中这些数字称为像素值，像素值代表每个像素的强度，0代表黑色，255代表白色；图像融合模块对存储的四幅图像做相同的操作，获取待测物体表面待测区域，将图像分为背景区域和目标区域两部分，提取感兴趣区域；检测目标区域的曝光情况，将图像中像素值为255的区域标记为曝光过度的区域，图像中像素值为0的区域标记为曝光不足的区域；对四幅图像赋予不同的权重，将四幅图像两两相与，进行图像融合，去掉曝光过度和曝光不足的区域，融合成没有曝光过度区域的图像；成像模块将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
本实施例中，成像模块将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像，具体为：针对融合后的图像，通过计算对应点之间的位置偏差，使用三角原理计算点的三维坐标，获得待测物体的三维点云坐标，获得待测物体70的三维点云坐标数据后，将这些数据运用Trimble Real Works软件进行处理后，可以获取被测物体的相关信息，进而建立真实的三维成像。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和约定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
综上所述，本发明在已有的四个相机和投影仪中加入反射镜，反射镜安装在投影仪投射结构光的光路上，通过支架上的可动球关可以微调投影仪和大幅度改变反射镜的位置，可以消除相机拍摄的视野盲区，可为3D重建提供良好的视野、景深基础，并且极大的减少了相机拍摄的视野盲区，结构设计占用空间少、稳定性及适用性极强。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于四目结构光的3D成像模组，其特征在于，包括相机、投影仪、反射镜和计算机，所述相机为四个，四个相机设置在四个不同方位，用于同时从不同方向采集待测物体图像；所述投影仪设置在四个相机中间的位置，用于投射结构光；所述反射镜设置在所述结构光的光路上，用于将所述结构光反射到待测物体上；所述计算机分别与投影仪、四个相机连接，用于控制投影仪和四个相机工作，以及将四个相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像。
2.根据权利要求1所述的3D成像模组，其特征在于，所述计算机包括控制模块、存储模块、图像融合模块和成像模块；所述控制模块用于控制投影仪和四个相机工作；所述存储模块用于将四个相机采集的待测物体图像进行存储；所述图像融合模块用于将存储模块存储的图像进行处理，将曝光过度和曝光不足区域的原始图像融合成没有曝光过度区域的图像；所述成像模块用于将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
3.根据权利要求1所述的3D成像模组，其特征在于，所述结构光以第一角度投射至所述反射镜，所述反射镜以第二角度将所述结构光投射至待测物体，所述第一角度和所述第二角度为可调整的光入射角度。
4.根据权利要求1所述的3D成像模组，其特征在于，还包括支架，所述支架包括相机支架、投影仪支架和反射镜支架，四个相机通过相机支架固定在四个不同方位，所述投影仪通过投影仪支架在四个相机中间的位置，所述反射镜通过反射镜支架安装在所述结构光的光路上。
5.根据权利要求4所述的3D成像模组，其特征在于，所述支架上设置有可动球关，所述投影仪支架通过可动开关小幅度改变投影仪的结构光投射方向，所述反射镜支架通过可动开关大幅度调整反射镜反射结构光方向。
6.根据权利要求1所述的3D成像模组，其特征在于，所述相机呈30度夹角向内侧排列，相邻相机之间的间距相等。
7.一种3D成像方法，基于权利要求1-6任一项所述的3D成像模组实现，其特征在于，所述方法包括：
控制投影仪投射结构光，使反射镜将所述结构光反射到待测物体上；
控制四个相机同时从不同方向采集待测物体图像；
将四个相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像。
8.根据权利要求7所述的3D成像方法，其特征在于，所述将相机采集的待测物体图像进行整合处理，得到3D图像，具体包括：
将四个相机采集的待测物体图像以数字矩阵的形式进行存储；
对存储的四幅图像做相同的操作，获取待测物体表面待测区域，将图像分为背景区域和目标区域两部分，提取感兴趣区域；
检测目标区域的曝光情况，判断曝光过度和曝光不足的区域；
对四幅图像赋予不同的权重，将四幅图像两两相与，进行图像融合，去掉曝光过度和曝光不足的区域，融合成没有曝光过度区域的图像；
将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像。
9.根据权利要求8所述的3D成像方法，其特征在于，所述数字矩阵中的数字为像素值，像素值代表每个像素的强度，0代表黑色，255代表白色；
所述检测目标区域的曝光情况，判断曝光过度和曝光不足的区域，具体为：检测目标区域的曝光情况，将图像中像素值为255的区域标记为曝光过度的区域，图像中像素值为0的区域标记为曝光不足的区域。
10.根据权利要求8所述的3D成像方法，其特征在于，所述将融合后的图像进行处理，获得待测物体的三维点云坐标，得到待测物体的三维成像，具体包括：
针对融合后的图像，通过计算对应点之间的位置偏差，使用三角原理计算点的三维坐标，获得待测物体的三维点云坐标；
对待测物体的三维点云坐标数据进行处理，获得待测物体的相关信息，从而建立真实的三维成像。
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