CN116664516A - 一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围；待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；检测步骤如下：显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，线阵相机采集一帧图像，按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号；依照图像编号i的顺序，将各帧图像进行拼接，获取包含相移图像投影的待测物图像；利用拼接出的N张图像分析待测物表面形貌；本方法适用于运动物体的在线检测，通过线阵相机和显示设备相互配合，实现了动态采集和存储条纹图像，在检测过程中，无需生产线停止，提高了检测过程的实时性，加快了检测节拍。

Description

一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法及系统
技术领域
本发明涉及相位偏折分析领域，具体涉及一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法及系统。
背景技术
相位偏折技术用于实现镜面/类镜面物体表面的缺陷检测/三维测量技术。目前，已广泛应用在集成电路、先进光学制造、汽车制造、光伏等行业。传统的相位偏折系统通常包括面阵相机和显示设备，显示设备上显示可移动的正弦条纹图(N步相移图)，面阵相机用于采集条纹图像。该系统在工作期间，需要在相机、光源、待测表面保持相对静止拍摄多张相移图片。但是，在特殊的工业场景中，生产线是运动的、并且不能停止，如传送带；在这样的应用场景下，相对静止的条件无法满足，导致相位偏折技术难以应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，本方法适用于运动物体的在线检测，通过线阵相机和显示设备相互配合，实现了动态采集和存储条纹图像，在检测过程中，无需生产线停止，提高了检测过程的实时性，加快了检测节拍。
为此，本发明的技术方案如下：
一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；当待测物到达检测工位时，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，显示设备向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；线阵相机采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
检测步骤如下：
S1、显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，线阵相机采集一帧图像，采图后，显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
S2、依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
S3、利用步骤S2拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
进一步，线阵相机的采集行频为其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
所述显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。更优选，投图频率大于等于f。
优选，显示设备为LED面阵光源。
进一步，当待测物尺寸小，对待测物整体表面进行检测，所述N步相移图像中的条纹能够覆盖住整个待测物表面区域；
当待测物较尺寸大，对待测物表面的局部待检测区域进行检测；当待检测区域有多处时，预先测量相邻两处待检测区域之间的距离，随着待测物移动，从上一处待检测区域到下一处待检测区域所需的间隔时间；在当前待检测位置进行步骤S1～S3后，经过间隔时间后，显示设备与线阵相机再次开启，进行步骤S1～S3。
进一步，判断待测物到达检测工位的方式如下：
在检测工位处设置位置检测装置，当待测物移动到检测工位时，位置检测装置发出到位信号。
优选，所述位置检测装置为光电开关、激光测距仪或者编码器。
进一步，待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动，具体方式如下：
方式一：待测物放置在传送带上，随传送带移动，所述线阵相机和显示设备均固定在传送带上方；
方式二：待测物安装在机器人末端上，随机器人移动，所述线阵相机和显示设备均固定在机器人周围；
方式三：待测物自身移动，所述线阵相机和显示设备均固定在待测物周围。
进一步，所述待测物的移动速度小于5m/s。
本发明还公开一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析系统，包括：
线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围，二者均连接到工控机，所述工控机设有投图模块、采图模块和数据处理模块；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；所述显示设备用于向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；所述线阵相机用于采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
当待测物到达检测工位，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，投图模块控制显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，采图模块控制线阵相机采集一帧图像，采图后，投图模块控制显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，数据处理模块按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
利用拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
进一步，线阵相机的采集行频为其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
所述显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。
进一步，在检测工位处设置位置检测装置，当待测物移动到检测工位时，位置检测装置向投图模块发出到位信号，显示设备开启；
所述位置检测装置为光电开关、激光测距仪或者编码器；显示设备为LED面阵光源。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种可应用于运动产线的多步相移相位偏折分析方法，给出了线阵相机拍摄相移条纹图投拍方式和图像重组方法。
为了提高检测结果的有效性，给出了相机光源帧率、目标运动速度、相机像素当量之间应满足的关系。
采用现在线阵相机完成N步相移图像采集，线阵相机的行扫方向与待测目标移动方向一致，线阵相机具有行扫速度快，成本低的优点。
附图说明
图1为具体实施方式中系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，如图1所示，线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；当待测物到达检测工位时，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，显示设备向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；线阵相机采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
检测步骤如下：
S1、显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，线阵相机采集一帧图像，采图后，显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
S2、依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
S3、利用步骤S2拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
具体的，线阵相机的采集行频为其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。更优选设计为：显示设备的投图频率大于等于f。
本实施例中，显示设备为LED面阵光源。
当待测物尺寸小，对待测物整体表面进行检测，N步相移图像中的条纹能够覆盖住整个待测物表面区域；
当待测物较尺寸大，对待测物表面的局部待检测区域进行检测；当待检测区域有多处时，预先测量相邻两处待检测区域之间的距离，随着待测物移动，从上一处待检测区域到下一处待检测区域所需的间隔时间；在当前待检测位置进行步骤S1～S3后，经过间隔时间后，显示设备与线阵相机再次开启，进行步骤S1～S3。
具体的，待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动，具体方式如下：
方式一：待测物放置在传送带上，随传送带移动，线阵相机和显示设备均固定在传送带上方；如待测物为手机壳、金属零部件等；
方式二：待测物安装在机器人末端上，随机器人移动，线阵相机和显示设备均固定在机器人周围；如待测物为车门、车顶盖等；
方式三：待测物自身移动，线阵相机和显示设备均固定在待测物周围。如待测物为汽车车身、列车车身等；
其中，为了降低对于显示设备以及线阵相机的性能要求，待测物的移动速度小于5m/s。
本发明还公开一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析系统，包括：
如图1所示，线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围，二者均连接到工控机，工控机设有投图模块、采图模块和数据处理模块；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；显示设备用于向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；线阵相机用于采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
当待测物到达检测工位，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，投图模块控制显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，采图模块控制线阵相机采集一帧图像，采图后，投图模块控制显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，数据处理模块按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
利用拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
其中，线阵相机的采集行频为其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。
具体的，在检测工位处设置位置检测装置，当待测物移动到检测工位时，位置检测装置向投图模块发出到位信号，显示设备开启；
更具体的，位置检测装置为光电开关、激光测距仪或者编码器；显示设备为LED面阵光源。
下面以四步相移图像(N＝4)为例，进行示例性阐述：
线阵相机的选型要求：根据线阵相机的采集行频为在工作距处像素当量为s＝0.1mm，检测时待测物的移动速度v＝200mm/s，4幅条纹图像循环投图、采图，当生产线运动了0.1mm(运动时间0.1/200＝0.0005s)时，相机行扫描了4次，即：线阵相机行扫速度(帧率)取值8000hz时满足要求。
本实施例中，四步相移图像(N＝4)的拼接方式如下：
第1张条纹图A1由第1帧图像、第4a+1帧图像(i除以N的余数k＝1)拼接而成；
第2张条纹图A2由第2帧图像、第4a+2帧图像(i除以N的余数k＝2)拼接而成；
第3张条纹图A3由第3帧图像、第4a+3帧图像(i除以N的余数k＝3)拼接而成；
第4张条纹图A4由第4帧图像、第4a+4帧图像(i除以N的余数k＝0)拼接而成；
其中利用拼接出的4张图像A1、A2、A3、A4分析待测物表面形貌。
补充说明，若投射三步相移图像(N＝3)，则三步相移图像的拼接方式为：
第1张条纹图A1由第1帧图像、第3a+1帧图像(余数k＝1)拼接而成；
第2张条纹图A2由第2帧图像、第3a+2帧图像(余数k＝2)拼接而成；
第3张条纹图A3由第3帧图像、第3a+3帧图像(余数k＝0)拼接而成；
其中利用拼接出的3张图像A1、A2、A3分析待测物表面形貌。
本方法适用于运动物体的在线检测，通过线阵相机和显示设备相互配合，实现了动态采集和拼接条纹图像，在检测过程中，无需生产线停止，提高了检测过程的实时性，加快了检测节拍。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (10)

1.一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于，线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；当待测物到达检测工位时，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，显示设备向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；线阵相机采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
检测步骤如下：
S1、显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，线阵相机采集一帧图像，采图后，显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
S2、依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
S3、利用步骤S2拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
2.如权利要求1所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：线阵相机的采集行频为Hz，其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
所述显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。
3.如权利要求1或2所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：显示设备为LED面阵光源。
4.如权利要求1所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：当待测物尺寸小，对待测物整体表面进行检测，所述N步相移图像中的条纹能够覆盖住整个待测物表面区域；
当待测物较尺寸大，对待测物表面的局部待检测区域进行检测；当待检测区域有多处时，预先测量相邻两处待检测区域之间的距离，随着待测物移动，从上一处待检测区域到下一处待检测区域所需的间隔时间；在当前待检测位置进行步骤S1～S3后，经过间隔时间后，显示设备与线阵相机再次开启，进行步骤S1～S3。
5.如权利要求1所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：判断待测物到达检测工位的方式如下：
在检测工位处设置位置检测装置，当待测物移动到检测工位时，位置检测装置发出到位信号；
所述位置检测装置为光电开关、激光测距仪或者编码器。
6.如权利要求1所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动，具体方式如下：
方式一：待测物放置在传送带上，随传送带移动，所述线阵相机和显示设备均固定在传送带上方；
方式二：待测物安装在机器人末端上，随机器人移动，所述线阵相机和显示设备均固定在机器人周围；
方式三：待测物自身移动，所述线阵相机和显示设备均固定在待测物周围。
7.如权利要求1或6所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析方法，其特征在于：所述待测物的移动速度小于5m/s。
8.一种基于线阵相机的动态物体相位偏折分析系统，其特征在于：线阵相机固定在检测工位中，显示设备固定在线阵相机的周围，二者均连接到工控机，所述工控机设有投图模块、采图模块和数据处理模块；
待测物处于线阵相机下方，其在检测过程中保持移动；所述显示设备用于向待测物表面投射N步相移图像，图像中条纹的延伸方向与待测物的移动方向一致；所述线阵相机用于采集图像，其视场中的行方向与待测物的移动方向垂直；
当待测物到达检测工位，显示设备提前开启或者与线阵相机同步开启，投图模块控制显示设备循环投影N步相移图像，每投影一幅相移图像，采图模块控制线阵相机采集一帧图像，采图后，投图模块控制显示设备再投影另一幅相移图像，直到采图帧数达到N×L时，显示设备和线阵相机关闭，采图结束；L为线阵相机拼接单张完整的相移图像所需采图次数；
采图时，数据处理模块按照采图时序以正整数对各帧图像进行编号、存储，各帧图像编号记为i，i＝1,2……N×L；
依照图像编号i的顺序，将各帧图像按如下方法进行拼接，获取N张包含相移图像投影的待测物图像，记为图像Aj，j＝1,2……N；
判断i≤N是否成立，若是，第i帧图像为图像Aj的首帧图像，j＝i；若否，记k为i除以N的余数，若k＝0，则将第i帧图像与图像AN进行拼接，若k≠0，则将第i帧图像与图像Aj进行拼接，j＝k；
利用拼接出的N张图像Aj分析待测物表面形貌。
9.如权利要求8所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析系统，其特征在于：线阵相机的采集行频为Hz，其中，N表示一组N步相移图像的图像总张数，v表示检测时待测物的移动速度，s表示线阵相机工作距下的像素当量；
所述显示设备的投图频率取值为0.5f～2f。
10.如权利要求8所述基于线阵相机的动态物体相位偏折分析系统，其特征在于：在检测工位处设置位置检测装置，当待测物移动到检测工位时，位置检测装置向投图模块发出到位信号，显示设备开启；
所述位置检测装置为光电开关、激光测距仪或者编码器；显示设备为LED面阵光源。
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CN116878389A (zh) * 2023-09-07 2023-10-13 东莞市兆丰精密仪器有限公司 一种联合测量方法、装置、系统及存储介质
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