CN117092105A - 一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，包括显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；成像装置，设于第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；被测物，朝向显示装置；半反半透镜，设于与第二方向相交的第三方向；显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元。本发明还公开了分别应用光度立体法、应用相位偏折法、兼容式检测物体表面特征的方法。本发明用显示装置来做同轴照明，实现相位偏折的光路垂直，可拍摄正视图，在同一光路中可实现光度立体法和/或相位偏折法检测。
Description
技术领域
本发明属于视觉检测技术领域，尤其是涉及一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法。
背景技术
在工业视觉检测领域，检测物体表面的瑕疵是一类普遍的需求。由于瑕疵往往难以被单一且不变的照明直接呈现，通过采用控制照明光源在拍摄过程中变化来增强检测效果，常用的方法主要有两种：光度立体法和相位偏折法。
光度立体法使用多个点光源对被测物体进行分时照明，通过相机分别在各光源照明时同步拍摄被测物体以获得多张不同光源照明的图像，然后对每个图像像素基于朗伯仿射模型建立各光源照明时的反射亮度方程组，如图1所示。通过求解方程组，可以得到该像素所对应的被测物体表面位置的反射率和法向量。由于方程组基于朗伯仿射模型建立，当物体表面的镜面反射程度高，即光源照射到物体表面后的出射光线能量更向镜面反射角聚集时，该方法的结果误差较大。对于主要呈镜面反射的物体，还可能出现任何一个光源都不处于镜面反射角，导致捕获的图像数据接近于0，传感器噪音主导测量结果的问题。
在工程实践中，光度立体法的光源设置往往和该方法的原始定义有所区别。光度立体法要求光源为理想的点光源，但在实践中，往往为条状光源或分区的环形光源。这些光源的面积更大，有利于消除图像中颗粒状的纹理。细微的纹理往往由物体的材质特性决定而非表面几何特性，不在瑕疵检测的考虑范畴，其存在反而会降低瑕疵检测的准确性。使用面积较大的光源进行照明虽然会导致表面法向量数值不准确，但对于瑕疵检测而非测量应用来说，数值仅用于定性分析而非定量分析，不准确的数值是可以接受的。
在一些应用场合，并不通过解算方程组得到表面特征信息，而是通过对多张图像对应的像素值进行简单的四则运算来获取表面特征信息。比如，将两个光源的对应图像相减，以获得法向量在其中一个方向的分量的近似数值。这种简化方法可以大大降低系统的计算负荷，缩短检测周期以满足流水线在线检测的要求，其原理仍应被归类于光度立体法。
通常而言，光度立体系统中相机位于被测物体正上方，光源相对于相机对称分布。这种布局的好处是，相机可以拍摄到正视的物体图像，便于检测，且焦平面与被测物体平行。若相机不处于被测物体正上方，对物体为朗伯反射的假设将造成与方向相关且不对称的误差，该误差可能降低检测的准确性。
相位偏折法被应用于镜面反射物体的表面测量和瑕疵检测。它通过一个显示装置显示多张相位不同的的正弦条纹图案，并通过一个相机同步拍摄被测物体，获得多张条纹图案在物体表面的倒影图像。通过联立多个相位图像在同一像素的亮度方程，可以解得包裹相位，再通过解包裹，得到连续相位。连续相位正比于显示装置所对应的坐标数值，通过该坐标数值和系统的几何信息(被测物位置信息，各部件位置信息，镜头标定参数，连续相位的周期和起始点)，可解得此点的法向量。通过对法向量的积分并假设被测物外形轮廓与姿态和预期相近，可以得到被测物的表面轮廓信息。对于镜面反射很小的物体，不同相位的条纹照明下所反射的亮度值也将很小，此时系统信噪比很低，相位偏折法的测量结果没有意义，因此相位偏折法不能测量非镜面反射的物体。
如图2所示，在相位偏折法系统中，相机和显示装置通常对称放置，二者的中心线交汇于被测物表面附近，以构成镜面反射光路。为了检测物体表面的瑕疵，相机应当对焦于物体表面，而非倒影中的显示装置。而相对于被测物体倾斜安装的相机，必须采用成本更高的沙姆镜头才能使焦平面与被测物平行，以实现对物体表面的对焦。或者，可以缩小相机光圈来增大景深，使倾斜的物体在相机的景深范围之内，但这种方法将牺牲镜头的光学分辨率，延长曝光时间，对检测的精度和速度有一定的负面影响。
此外，由于相机倾斜放置，相机所拍摄到的被测物经过投影变换，长方形的被测物将呈现为梯形。若直接以未经处理的原始数据进行瑕疵检测，当采用固定的判断阈值时，由于在视野中不同位置的放大倍率存在差异，系统对不同图像位置的瑕疵容忍度不同，可能导致误判。若进行计算处理恢复为正视图像后再用于检测，图像数据的质量将因为插值的原因下降，且将消耗额外的计算资源和时间。
综上所述，光度立体法擅长检测漫反射物体，不能检测镜面反射物体；相位偏折法擅长检测镜面反射物体，不能检测漫反射物体。二者虽然相互互补，但由于现有技术的光路结构不同，难以将二者在同一光路中实现。除此以外，相位偏折法的图像不是正视视角，限制了其性能和使用场景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在一套物理系统下、同一光路中可以实现光度立体法和/或相位偏折法检测，且实现正视视角的拍摄的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，包括：
显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；
与显示装置同步的成像装置，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；
被测物，其被测面朝向显示装置；
半反半透镜，设于第三方向上，其与第二方向相交；
所述显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元，根据成像装置获取的图像计算得到被测物的被测面特征；
检测装置使利用光度立体法进行物体表面特征检测和相位偏折法进行物体表面特征检测共用光路，原始图像和输出结果均为像素级对齐的结果，将两种方法的输出结果融合，实现互补，以实现同时检测镜面反射和漫反射物体的目的；
所述显示装置与成像装置通过同步视频信号发生单元进行同步，该同步视频信号发生单元用于控制视频信号的刷新时点，确认当前帧是否发送完成，以在第一时间开始传送视频信号，避免曝光过程改变显示图像；
一种兼容式检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
利用光度立体法获取被测面表面的法向量，定义为第一法向量；
利用相位偏折法获取被测面表面的法向量，定义为第二法向量；
利用光度立体法或相位偏折法获取被测面表面的镜面反射程度，判断该镜面反射程度是否在设定阈值内，若超出设定阈值，则选用第二法向量作为输出结果，若未超出设定阈值，则选用第一法向量作为输出结果。
进一步的，所述显示装置与成像装置通过同步视频信号发生单元进行同步。
进一步的，所述显示装置、成像装置和半反半透镜封装于壳体内；还包括吸光单元，设于第二方向上，用于吸收显示装置经半反半透镜反射至检测装置内的光线；所述吸光单元为涂覆在壳体内表面的吸光涂层。
进一步的，所述吸光单元为多个齿状轮廓，相邻的齿状轮廓之间形成吸光区域，反射至壳体内表面的光线在吸光区域内发生多次反射和衰减。
进一步的，所述被测面与显示装置的成像面的夹角为0±20°；所述成像装置具有图像传感器，该图像传感器所在平面与被测面关于半反半透镜的镜像的夹角为0±20°。
进一步的，所述被测物存在镜面发射和漫反射。
本发明还公开了一种应用光度立体法检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
显示装置，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜反射或透射至被测面，作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜，再透射或反射至成像装置；
成像装置将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
进一步的，当显示装置设于第一方向上，成像装置设于与第一方向垂直的第二方向上，半反半透镜设于与第二方向相交的第三方向上，被测面朝向显示装置，每个发光图像分别经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测面作为照明光路；光路经过被测面反射至半反半透镜，再反射至成像装置。
本发明还公开了一种应用相位偏折法检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
显示装置，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜反射或透射至被测面，作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜，再透射或反射至成像装置；
成像装置将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
进一步的，当显示装置设于第一方向上，成像装置设于与第一方向垂直的第二方向上，半反半透镜设于与第二方向相交的第三方向上，被测面朝向显示装置，每个发光图像分别经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测面作为照明光路；光路经过被测面反射至半反半透镜，再反射至成像装置。
本发明的有益效果是，1)在同一套物理系统下，用一个显示装置来做同轴照明，实现了相位偏折的光路垂直，拍摄正视图像的目的，使得在同一光路中可以实现光度立体法和/或相位偏折法检测；2)本检测装置可以检测被测面既存在漫反射又存在镜面反射的情形，检测效率高，检测结果准确；3)解决了现有技术中相位偏折法检测时，由于相机倾斜放置导致被测物经过投影后变形的问题，无需对原始数据进行处理；4)拓展了使用场景，可以广泛应用在镜面反射物体检测，或镜面反射物体和漫反射物体混合的检测场景；5)显示装置的使用可以任意调整光源，使用方便。
附图说明
图1为现有技术中光度立体法的光路示意图。
图2为现有技术中相位偏折法的典型光路示意图。
图3为本发明实施例一的检测装置示意图。
图4为本发明实施例二的检测装置示意图。
图5为本发明实施例二中显示装置01和成像装置02通过同步视频信号发生单元06进行同步的示意图。
图6为本发明实施例二中最优时序的示意图。
图7为本发明实施例三中光度立体显示图案示意图。
图8为本发明实施例五中相位偏折法显示图案示意图。
图9a-9e为本发明实施例四中环境光下和分别启用4个光源照射下相机拍摄出图片。
图10a-10c为本发明实施例四中使用抗干扰算法基于图9数据计算出的Nx，Ny，Nz图像。
图11a-11c为本发明实施例四中未使用抗干扰算法基于图9数据计算出的Nx，Ny，Nz图像。
图12a-12i为本发明实施例四中环境光下和分别启用8个光源照射下相机拍摄出图片。
图13a-13c为本发明实施例四中使用抗干扰算法基于图12数据计算出的Nx，Ny，Nz图像。
图14a-14c为本发明实施例四中未使用抗干扰算法基于图12数据计算出的Nx，Ny，Nz图像。
图15为本发明实施例六中R＝50，G＝43，B＝52对比度50时RGB单通道及三通道混合后的光强变化曲线。
图16为本发明实施例六中R＝50，G＝43，B＝52对比度75时RGB单通道及三通道混合后的光强变化曲线。
图17为本发明实施例六中采集到的原始图像。
图18为本发明实施例六中补偿前结构光成像结果。
图19为本发明实施例六中补偿后结构光成像结果。
图20为补偿前结构光灰度三维视图。
图21为本发明实施例六中补偿后结构光灰度三维视图。
图22为本发明实施例六中补偿前后的结构光原图某行灰度变化曲线。
图23为本发明实施例六中补偿前相位偏折系统灰度图输出。
图24为本发明实施例六中补偿后相位偏折系统灰度图输出。
其中，01-显示装置，02-成像装置，03-被测物，04-半反半透镜，05-吸光单元，06-同步视频信号发生单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
如图3所示，一种用于物体表面特征的检测装置，包括：
显示装置01，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像，该变化的发光图像可以是变化的点状发光图像，或变化的条状发光图像，或变化的块状发光图像；在本实施例中，定义图示的水平方向为第一方向，无论朝左还是朝右；
与显示装置01同步的成像装置02，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置01的发光图像的变化同步拍摄多张图像；在本实施例中，成像装置02为相机，定义图示的竖直方向为第二方向，无论朝上还是朝下，换句话说，第一方向和第二方向相垂直，当然在其他实施例中，第一方向和第二方向也可以不相垂直；
被测物03，其被测面朝向成像装置02；
半反半透镜04，设置在第三方向上，其与第二方向相交；换句话说，半反半透镜04设置在成像装置02和被测面之间，且与成像装置02和被测物03所在的竖直平面相交；在本实施例中，半反半透镜04倾斜设置在第三方向上；
显示装置01朝着第一方向输出的发光图像经过半反半透镜04的反射后、沿着第二方向到被测物03的被测面，作为照明光路；
经过被测面反射的光路沿着第二方向、透过半反半透镜04后，透射至成像装置02；
计算单元，根据成像装置02获取的图像计算得到被测物03的被测面特征，该特征至少包括反射率和/或法向量。
上述显示装置01、成像装置02、被测物03和半反半透镜04被封装在装置内壳。
在上述构型中，成像装置02通过半反半透镜04拍摄被测物03体，显示装置01通过半反半透镜04反射照明被测物03体。显示装置01的废光无需特殊处理，因为成像装置02并不会拍摄到废光在装置内壳的影像。
调整被测物03和显示装置01的距离，就能增强照明均匀度，避免被测物03靠近显示装置01的一侧照明较亮，远离的一侧较暗的情形。
照明均匀性是影响本发明性能的其中一个因素，在物体表面不同区域过大的照明差异将导致计算结果的区域性差异，最终可能导致检测误差。为了使照明均匀，被测物03的被测面(或装置所设计的测量工作面)关于半反半透镜04的镜像应尽量与显示装置01的成像平面平行，两者夹角优选范围为±20°。
正视成像是影响本发明性能的另一个因素，非正视的成像将使图像不同位置的放大倍率不同，可能使后续的检测在不同图像位置的灵敏度不同。为了使成像装置02正视拍摄被测物03体，成像装置02的图像传感器平面和被测物03的被测面(或装置所设计的测量工作面)应尽量平行，两者的夹角优选范围为±20°。
实施例二
如图4所示，一种用于物体表面特征的检测装置，包括：
显示装置01，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像，该变化的发光图像可以是变化的点状发光图像，或变化的条状发光图像，或变化的块状发光图像；在本实施例中，定义图示的水平方向为第一方向，无论朝左还是朝右；
与显示装置01同步的成像装置02，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置01的发光图像的变化同步拍摄多张图像；在本实施例中，成像装置02为相机，定义图示的竖直方向为第二方向，无论朝上还是朝下，换句话说，第一方向和第二方向相垂直，当然在其他实施例中，第一方向和第二方向也可以不相垂直；
被测物03，其被测面朝向显示装置01；
半反半透镜04，设置在第三方向上，其与第二方向相交；换句话说，半反半透镜04设置在成像装置02和被测面之间，且与成像装置02和被测物03所在的竖直平面相交；在本实施例中，半反半透镜04倾斜设置在第三方向上，其倾斜角度可以是45°；
显示装置01朝着第一方向输出的发光图像经过半反半透镜04的透射后、沿着第一方向到被测物03的被测面，作为照明光路；
经过被测面反射的光路沿着第一方向至半反半透镜04，经过半反半透镜04的反射至成像装置02；
计算单元，根据成像装置02获取的图像计算得到被测物03的被测面特征，该特征至少包括反射率和/或法向量。
上述显示装置01、成像装置02、被测物03和半反半透镜04被封装在装置内壳。
在上述构型中，显示装置01的图案通过半反半透镜04透射照明被测物03的被测面，相机通过半反半透镜04反射拍摄被测物03体。该构型的好处是，显示装置01、半反半透镜04和成像装置02均位于被测物03的同一侧，有利于将本装置构建为独立的便于拆装的模块；显示装置01和被测物03平行，照明均匀。
该构型中显示装置01经半反半透镜04反射至装置内壳底部的光(废光)，应尽量通过工程手段(比如涂敷吸光材料)吸收消除，否则将在相机侧收到从装置底部返回的光信号。因此，本实施例中检测装置还包括吸光单元05，其设置在第二方向上，用于吸收显示装置01经半反半透镜04反射至检测装置内的光线。
照明均匀性是影响本发明性能的其中一个因素，在物体表面不同区域过大的照明差异将导致计算结果的区域性差异，最终可能导致检测误差。为了使照明均匀，被测物03的被测面(或装置所设计的测量工作面)应尽量与显示装置01的成像面平行，两者的夹角优选范围为±20°。
正视成像是影响本发明性能的另一个因素，非正视的成像将使图像不同位置的放大倍率不同，可能使后续的检测在不同图像位置的灵敏度不同。为了使成像装置02正视拍摄被测物03体，成像装置02的图像传感器平面和被测物03的被测面(或装置所设计的测量工作面)关于半反半透镜04的镜像应尽量平行，两者的夹角优选范围为±20°。
显示装置01和相机的同步效率极大地影响着检测装置的效率。显示装置01需要在每一次曝光之前，显示预定的图案，并在曝光过程中保持图像稳定。一种实施方法是，使用带有视频接口的显示器作为显示装置01，通过视频信号接口传输预定的图案。通常而言，常见的显示器的视频刷新率为50Hz/60Hz/120Hz，它理论上最高能实现的最高同步拍摄帧率即为其刷新率，即使相机的读出时间和曝光时间比其刷新周期更短，也不能实现更快的拍摄。若采用常规的计算机系统控制相机和显示装置01的同步，因为操作系统的延迟还需要额外的等待时间才能进行相机曝光，以确保在计算机程序中已经刷新的显示图案被完整显示在显示器上。此外，显示器在显示图案不变的情况下不应有屏闪，否则相机所拍摄到的图案亮度将会不稳定，因此，CRT显示器不应被使用，优选LED,LCD,TFT显示器。
另一种同步相机和显示装置01的方法是，通过一个同步视频信号发生单元06来产生视频信号，如图5所示。该同步视频信号发生单元06可以准确控制视频信号的刷新时点，并确认当前帧是否发送完成，以在第一时间开始传送视频信号，并避免在曝光过程中改变显示图像。若同步视频信号发生单元06可以获知相机传感器的曝光状态信号，还可以在传感器完成曝光，图像数据尚未传出时就立刻开始下一帧的显示图像传输，以实现最优的系统拍摄时间，如图6所示。
即使用了同步视频信号发生单元06，系统的速度仍然受制于显示装置01的刷新率。若要实现更高的系统速度，可以使用特制的高刷新率显示装置01(图像刷新率>120Hz)。比如，在显示装置01中存储所有可能需要显示的图案，以消除视频信号传输至显示装置01的时间；再如，使用单颜色通道的显示装置01，以减少视频数据的传输量。
当然，在实施例一和实施例二的两种构型基础上，还可以进一步使用反射镜将光路折叠，使得成像装置02的传感器靶面与显示装置01平行，可以进一步缩小检测装置的体积。
实施例三
该装置使用时，主要分为设置、拍摄和计算三个步骤。
设置阶段所设置的参数可以决定后续的曝光次数、曝光时间、显示装置01所显示的图案、以及计算阶段所需要的参数。
经触发后，检测装置进入拍摄阶段，此阶段过程中，成像装置02(相机)和显示装置01同步拍摄，即显示装置01在相机曝光过程中应当保持图案不变化，在相机曝光结束后变换显示的图案，待图案显示刷新完成后，再触发相机的下一次曝光。经过一系列的同步拍摄，取得一系列具有不同照明条件的被测物03体的图像。
在计算阶段，计算单元根据设置，对拍摄阶段所获得的图像进行运算处理，以获得被测物03的表面信息。
一种应用光度立体法检测物体表面特征的方法，其采用实施例一中的检测装置，包括以下步骤：
显示装置01，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜04反射、沿着第二方向至被测面作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜04，再透射至成像装置02；
成像装置02将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
显示装置01所显示的图案与所应用的算法相关。在一次拍摄中，可以是光度立体法，也可以是相位偏折法，也可以二者的结合。
举例而言，对于光度立体法，显示装置01所显示的图案可以是如下几种：矩形亮块、扇形圆环亮块、扇形亮块、圆点量块，等等。如图7所示，图中所示分割数量仅为示意。通过增加分割数量，可以增加原始图像的数量，提高计算精度和降低噪音，但也会导致系统的整体时间变长。分割数量可以在设置过程中进行设置。
实施例四
一种应用光度立体法检测物体表面特征的方法，其采用实施例二中的检测装置，包括以下步骤：
显示装置01，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜04透射、沿着第一方向至被测面作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜04，再反射至成像装置02；
成像装置02将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
当然，在单独采用光度立体算法时，为了排除环境光对光度立体法进行缺陷检测的干扰，使得成像效果好，可以采用基于光度立体的抗干扰图像获取方法。
包括以下步骤：
S1布设相机和多个光源，此处光源由显示装置01变化产生，多个光源相对相机任意分布。光源的数量为大于等于3个，优选为8个。
S2利用多个光源依次照射待测物体表面，相机分别获取逐个光源照射的图像。换句话说，每个光源单独使用照射待测物体表面，待该光源完成图像获取后关闭，打开另一个光源单独使用照射待测物体表面。
S3关闭所有光源，相机获取环境光照射的图像。
S4计算光源下获取的图像和环境光照射下获取的图像的像素差值。
具体的，分别使用了4个光源和8个光源进行拍摄。4光源时，所选的4个光源角度Slants为{45,45,45,45}，Tilts为{225,135,45,-45}。8光源时，8个光源角度Slants为{45,45,45,45,45,45,45,45}，Tilts为{225,180,135,90,45,0,-45,-90}。根据以上信息可以计算出光源单位法向量。
接着采集一张未开启光源图片和多张基于使用单个光源图片。图9a为本发明中环境光下相机拍摄出图片，9b～9e为分别启用4个光源照射下相机拍摄出图片。图12a为本发明中环境光下相机拍摄出图片，12b～12i为分别启用8个光源照射下相机拍摄出图片。
接着计算光源下和环境光下像素差值，也就是分别使用图9中的b～e的像素值减去图9a像素值和图12中的b～i像素值减去图12a像素值，得到像素值t，当t值小于0或者大于255时，将此像素值赋为所有光源拍摄出的像素值和再求平均。
接着使用光度立体法构造方程求解物体表面法向量Nx，Ny，Nz。因为是单位法向量，这三个值的范围都为(-1，1)为了能使结果可以展现在图片中，仍需把单位法向量映射到其它值范围，可以使用各种算法将值映射到任意范围。
用光源拍摄出的图像减去环境光的图像，某些部分像素值差值p会小于0，因环境光强度，物体表面特性，光源强度等多方面原因。所以需要对于这部分值再做进一步的处理。具体的，步骤S4中，当像素差值p不在(0,255)的范围内，则将其值赋为所有光源拍摄出的图像此位置像素值求和再平均，其公式为tn表示像素值。
步骤S4中，也可以采用另一种方法，当像素差值p不在(0,255)的范围内，像素差值p＜0，则将其赋值为0，像素差值p＞255，则将其赋值为255，即
S5基于像素差值利用光度立体法构造方程求解待测物体表面法向量图。
根据光源照射图像和环境光照射图像按照光度立体法计算物体表面法向量图像，即可获得去除环境光干扰图像，不同光源切换得到不同图像数据也在计算物体表面法向量图像时生成。
像素值与光源以及物体表面法向量用方程联系到一起，其方程为tij＝ρi(Ni·Lj)lj，tij-te＝k*Ni*Lj，其中t代表像素值，ρ代表待测物体表面反射率，N代表待测物体表面单位法向量，L代表光源方向法向量，l代表光源强度，te代表在环境光下拍摄出的像素值，k为常数。
更具体的，像素值可以通过相机拍摄的图像直接得到，反射率和物体表面单位法向量为物体表面特性，光源方向和光源强度都是3*1的单位向量，一般光源强度可以用常量1表示，光源单位向量一般可以通过标定求得。在此发明中为了抗环境光干扰，te代表在环境光下拍摄出的像素值，则合并该式可得：
tij-te＝k*Ni*Lj
k为常数,记tn＝tij-te，展开此式可得：
tn＝k*Lnx*Nx+k*Lny*Ny+k*Lnz*Nz
令k*Nx＝X，k*Ny＝Y，k*Nz＝Z，再次化简可得：
tn＝Lnx*X+Lny*Y+Lnz*Z
求解该方程有多种方法，在此使用最小二乘法求解该方程：
令可得：
进一步化简可得：
同理令可得：
根据①②③式，转换成矩阵形式可得：
L为光源单位法向量，计算方式如下：
记光源发射的光束方向与相机中轴线的夹角为Slants，以采集图像为参考，图像中心水平往右称为0度(起点)，记Tilts为光束中轴线投影到平面与起点的夹角。可求得L，
Lnx＝tan(slantsn)*cos(tiltsn)
Lny＝tan(slantsn)*sin(tiltsn)
Lnz＝1
n代表使用的第几个光源，当硬件有多个光源时，可以使用不同的排列组合带入上述公式计算但是数量N必须大于3，这样即可生成不同的图像效果，也可以达到模式切换的功能。
追求效率时可以使用最少的光源数量进行拍摄，追求效果精度时可以使用全部光源数量进行拍摄。t′n在此发明中此值等于当前光源拍摄出的像素值减去环境光的像素值，当计算出的t′n＜0或t′n＞255时，此时t′n赋为所有光源下拍摄照片中此位置像素值求和再求平均，即这样计算可以去除环境光的干扰。
至此可以算出k*Nx，k*Ny，k*Nz三个值，N为单位向量，所以平方值为1，通过这三个值可以进一步计算出k值，计算方法如下：
当计算出k值后，再将k*Nx，k*Ny，k*Nz分别除以k可以进一步计算出Nx，Ny，Nz。
具体的，所述步骤S5中，遍历整张图像所有的值，找出最大值和最小值记作Valmax，Valmin，使用以下公式即可值映射到(ymin，ymax)范围Valnew为映射后的像素值，Valorg为原始像素值。此实施例中，将值映射到(0，255)范围，即ymin＝0，ymax＝255。
图10a～10c为本发明使用抗干扰算法基于4个光源数据计算后映射出的Nx，Ny，Nz图像。为了能更好的体现本发明抗干扰的效果，本实施例还计算了未使用抗干扰算法的图像，参照图11a～11c。
图13a～13c为本发明使用抗干扰算法基于8个光源数据计算后映射出的Nx，Ny，Nz图像。图14a～14c为未使用抗干扰算法图像。
对比图10和图11与图13和图14，可以明显看到使用了本发明算法生成的图像无阴影，效果更优，同时图10和图13显示了在同一个硬件设备中，不同光源选择可生成不同的效果图像，可灵活供使用者进行模式切换来满足不同场景。
实施例五
一种应用相位偏折法检测物体表面特征的方法，其采用实施例一中的检测装置，包括以下步骤：
显示装置01，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜04反射、沿着第二方向至被测面作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜04，再透射至成像装置02；
成像装置02将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
对于相位偏折法，显示装置01所显示的图案可以是水平和/或垂直方向的条纹图案，其亮度随着变化的坐标轴呈正弦曲线状变化，如图8所示。对于同一个方向的条纹，包含有若干张不同相位的图案，优选地，使用4张相邻相位差为90度的正弦图案。使用更多张的图案将缩小相邻相位差，可以使系统获得更高的的计算精度并降低噪音，但也会导致系统的整体时间变长。
实施例六
一种应用相位偏折法检测物体表面特征的方法，其采用实施例二中的检测装置，包括以下步骤：
显示装置01，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜04透射、沿着第一方向至被测面作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜04，再反射至成像装置02；
成像装置02将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
当然，在单独采用相位偏折算法时，为了消除屏幕和图像采集单元的相机带来的误差，保证检测结果的准确性，可以利用补偿单元采用以下补偿方法消除误差。
调整相机曝光，使屏幕在显示灰度255图像时相机成像不过曝。
S1分别采集屏幕的R、G、B三通道在不同灰度值时的成像数据，根据相机的成像数据获取屏幕R、G、B三通道显示灰度与相机成像灰度的关系曲线，调整屏幕RGB颜色参数和对比度参数，使得屏幕显示的三通道白光光强输出曲线接近Gamma曲线；
具体的，所述S3步骤中，首先，屏幕不能保证三种基色具有相同的光电转换曲线，通过单独调整RGB通道的特性，可使得RGB三通道输出曲线差异更小，Gamma值更接近，从而一定程度避免RGB三通道混合使白光光强变化偏离Gamma曲线；如测试屏幕AOC20E1H，经调整得到颜色参数R＝50，G＝43，B＝52时，RGB三通道亮度变化曲线最接近，如图16所示。
其次，当屏幕曲线出现明显的分段时，需要分别检查RGB三通道亮度输出是否饱和；通过调整屏幕对比度使RGB三通道曲线均不出现饱和的情况，从而使RGB三通道混合得到的白光曲线不出现分段现象；如图17所示，颜色参数R＝50，G＝43，B＝52且对比度为75时会使得B通道和R通道均出现输出亮度饱和现象，进而导致到最终三通道白光R50G43B52输出分段；而图16中对比度为50时，R、G、B三通道曲线输出接近且均未出现饱和现象，三通道白光R50G43B52输出未出现分段。
S2使用调整参数后的屏幕，采集屏幕显示不同灰度三通道白光图像时相机的成像数据，根据相机的成像数据获取屏幕显示灰度与相机成像灰度的关系曲线获取屏幕Gamma参数，判断曲线是否满足Gamma曲线，以获取精确Gamma参数或近似Gamma参数；
具体的，所述S2步骤中，当曲线满足Gamma曲线时，通过不同参数的Gamma曲线与采集到曲线的误差求和大小，得到误差最小的精确Gamma参数；当曲线不满足Gamma曲线时，对曲线进行多项式拟合，通过对多项式求根得到的数据拟合幂函数得到近似Gamma参数；
更具体的，所述S2步骤中包括以下子步骤，
S21放置镜面到检测区域，使相机聚焦到镜面表面，设置屏幕显示出一系列全图等灰度值的白光图像(三通道灰度相等)，灰度值范围为0-255，且相邻帧灰度值差为grayDiff，控制相机采集经镜面反射的一系列白光图像；在本实施例中，镜面为镀膜镜面，相邻帧灰度值差grayDiff＝1，采集到的图像数量countimage与相邻帧灰度值差grayDiff相关：
S22对拍摄到的counitmag张图像计算位于图像中心且尺寸为winSize×winSize的区域的像素平均灰度值，得到countimage个离散的灰度均值数据，从而得到屏幕显示灰度值与相机实际采集到图像的灰度值之间的关系曲线；在本实施例中，grayDiff为1，采集的图像数量为256张。从拍摄到的256张图像的中心，取winsize＝300小区域的计算平均灰度值，得到256个离散的灰度均值数据，如图18所示，其为控制屏幕显示灰度值从0到255的256张纯色图像，并控制相机拍摄所有256图像的成像结果。
S23根据屏幕显示灰度值grayscreen与相机实际采集到图像的灰度值grayMeancamera之间的关系曲线的类型选择屏幕Gamma参数拟合方式；
上述步骤S23中，当曲线满足Gamma曲线时，基于误差值搜索精确Gamma参数；第一步，先将原始曲线进行归一化，原始屏幕显示灰度值为grayscreen，原始相机对屏幕成像的中心区域均值为grayMeancamera，归一化后的normGrayscreen与normGrayMeancamera之间关系近似符合幂函数，即normGrayMeancamera(i)＝normGrayscreen(i)gamma；
具体的，归一化公式为：
归一化后的normGrayscreen与normGrayMeancamera之间关系近似符合幂函数，即normGrayMeancamera(i)＝normGrayscreen(i)gamma，设屏幕满足的幂函数y＝xa参数a为未知数，误差表达式如下：
i∈[0,255]时ln(normGrayscreen(i)a-normGrayscreen(i)gamma)＝(a-gamma)ln(normGrayscreen(i))单调，可得E(a)随着|a-gamma|单调递增；故可依据E(a)变化对a值进行搜索，找到最佳的a值。
上述基于误差值搜索精确Gamma参数的第二步为，基于归一化后的数据进行Gamma参数搜索，粗搜索，遍历以astart为起点，aend为终点，步长为astep时一系列参数a，得到E(a)的列表，得到使E(a)最小的两个值aleft和aright；精搜索，在aleft和aright之间不断计算amid＝(aleft-aright)/2以及E(aright)、E(amid)、E(aleft)，当时令aleft＝amid，否则令aright＝amid；直到搜索区间满足目标精度aright-aleft＜0.01时返回amid作为搜索到的Gamma值gammasearch，则屏幕Gamma值为gammascreen＝gammasearch。在本实施例中，遍历astart＝0.1，aend＝2.9，astep＝0.1时的一系列a值。步长astep越小，粗搜索耗时越长，得到的精搜索区间更精确；
上述步骤S23中，当曲线不满足Gamma曲线走势时，使用多项式曲线拟合进行近似求解，一般使用二阶多项式进行拟合，拟合后通过多项式函数求根得到相机采集图像中心区域均值等于目标灰度值时屏幕显示的灰度值，通过对求得的一系列散点拟合乘幂函数，得到屏幕的近似Gamma值gammafit，如下：
此参数可以将曲线中大部分的非线性部分进行补偿。
S3将S2中获得的屏幕Gamma参数应用到相位偏折系统的结构光成像补偿过程。根据S2步骤中得到的屏幕Gamma参数gammascreen的形式，对屏幕显示的灰度值进行补偿，得到非线性被补偿后的灰度值CorrectGrayscreen，公式如下：
基于补偿后灰度值拍摄得到的CorrectGrayMeancamera与CorrectGrayscreen之间呈近似线性关系，则使用CorrectGrayscreen生成结构光补偿了非线性影响，使用补偿后的结构光进行检测就可得到更好的检测效果。
如图19、图20所示，对比补偿前后的结构光成像结果，可以看到补偿前结构光光强变化已严重偏离正弦，黑条纹和白条纹所占的宽度不等且差距较大，而补偿后黑白条纹所占宽度接近相等；结合图21、图22可以看到更直观的灰度变化趋势，其中图23中grayList0和grayList1曲线分别为截取图19和图20中同一行像素灰度变化曲线，而graylistSin曲线是相同周期的理想正弦曲线，可以看到补偿后结构光光强曲线更接近理想正弦曲线。
从补偿前后检测输出灰度图23、图24中可看出，未校正前的图像由于结构光图像偏离理想正弦曲线，出现了明显的周期性网格，校正后图像周期性网格明显减弱，说明补偿可以抑制检测输出灰度图中的网格形状的噪声。
实施例七
一种兼容式检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
在上述实施例一或实施例二的检测装置下，利用光度立体法获取被测物03的被测面表面的法向量，定义为第一法向量；
在上述实施例一或实施例二的检测装置下，利用相位偏折法获取被测物03的被测面表面的法向量，定义为第二法向量；
在上述实施例一或实施例二的检测装置下，还包括判断单元，其用于判断成像装置02获取的图像计算后得到的镜面反射程度是否超出设定阈值；
在上述实施例一或实施例二的检测装置下，结合判断单元，利用光度立体法或者利用相位偏折法获取被测面表面的镜面反射程度，具体可以是反射率等，判断该镜面反射程度是否在设定阈值内，如果超出设定阈值，则选用第二法向量作为输出结果，如果没有超出设定阈值，则选用第一法向量作为输出结果。
传统的光度立体法和相位偏折法使用不同的构型，尽管两种方法特点互补但因为图像视角不同不能对齐，难以将二者的数据融合。本发明所提出的检测装置可以使两种方法共用光路，原始图像和输出结果均为像素级对齐的结果，因此可以将两种方法的输出结果融合，实现互补。融合两种方法的输出结果并不是本发明的必要步骤，在检测过程中，可以只使用一种方法的输出结果，也可以使用两种方法时，针对两种方法的输出结果准备两套判断方法，最终再将两套判断方法的输出结果进行逻辑综合，以实现同时检测镜面反射和漫反射物体的目的。
更具体的，以下举例说明一种融合两种方法结果的步骤：
该融合方法对每一个相机像素逐个计算。首先，通过光度立体法获得法向量1；通过相位偏折法获得镜面反射率和法向量2。若该像素点的镜面反射率大于预先设定的阈值，则采用法向量2作为该点的法向量结果，否则采用法向量1。
上述镜面反射率的一种获取方式：对于一个确定的像素点，它在相位偏折投影图案中灰度变化幅度与平均灰度的比值。
实施例八
将本发明的用于物体表面特征的检测装置应用于工业生产过程中的检测，可以使用于镜面反射物体检测，或镜面反射物体和漫反射物体混合的检测场景，如PCBA检测、半导体封装检测、手机或手表玻璃盖板检测、图像传感器外观检测等场景。
使用时，该检测装置可以被集成于工业流水线上，以实现自动化的在线检测；亦可以独立的设备形态存在，用于半自动检测。本检测装置的输出结果为物体表面的特征信息，在实际使用中，如果需要判断物体是否满足质量要求，还需要使用包含图像判断算法的计算机软件，以本装置的输出结果为输入，以实现对合格与否的判断。
实施例九
光度立体法和相位偏折法的具体实施细节，包括投影图案的内容和张数，以及所对应的算法过程并不是本发明的关键，不同的光度立体法和相位偏折法的实现，并不影响本发明的应用，上述描述仅示意了最常见的实施方法。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于，包括：
显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；
与显示装置同步的成像装置，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；
被测物，其被测面朝向显示装置；
半反半透镜，设于第三方向上，其与第二方向相交；
所述显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元，根据成像装置获取的图像计算得到被测物的被测面特征；
检测装置使利用光度立体法进行物体表面特征检测和相位偏折法进行物体表面特征检测共用光路，原始图像和输出结果均为像素级对齐的结果，将两种方法的输出结果融合，实现互补，以实现同时检测镜面反射和漫反射物体的目的；
所述显示装置与成像装置通过同步视频信号发生单元进行同步，该同步视频信号发生单元用于控制视频信号的刷新时点，确认当前帧是否发送完成，以在第一时间开始传送视频信号，避免曝光过程改变显示图像；
一种兼容式检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
利用光度立体法获取被测面表面的法向量，定义为第一法向量；
利用相位偏折法获取被测面表面的法向量，定义为第二法向量；
利用光度立体法或相位偏折法获取被测面表面的镜面反射程度，判断该镜面反射程度是否在设定阈值内，若超出设定阈值，则选用第二法向量作为输出结果，若未超出设定阈值，则选用第一法向量作为输出结果。
2.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述显示装置、成像装置和半反半透镜封装于壳体内；还包括吸光单元，设于第二方向上，用于吸收显示装置经半反半透镜反射至检测装置内的光线；所述吸光单元为涂覆在壳体内表面的吸光涂层。
3.根据权利要求2所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述吸光单元为多个齿状轮廓，相邻的齿状轮廓之间形成吸光区域，反射至壳体内表面的光线在吸光区域内发生多次反射和衰减。
4.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述被测面与显示装置的成像面的夹角为0±20°；所述成像装置具有图像传感器，该图像传感器所在平面与被测面关于半反半透镜的镜像的夹角为0±20°。
5.权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述被测物存在镜面发射和漫反射。
6.一种应用光度立体法检测物体表面特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
显示装置，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜反射或透射至被测面，作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜，再透射或反射至成像装置；
成像装置将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
7.根据权利要求6所述的应用光度立体法检测物体表面特征的方法，其特征在于：当显示装置设于第一方向上，成像装置设于与第一方向垂直的第二方向上，半反半透镜设于与第二方向相交的第三方向上，被测面朝向显示装置，每个发光图像分别经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测面作为照明光路；光路经过被测面反射至半反半透镜，再反射至成像装置。
8.一种应用相位偏折法检测物体表面特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
显示装置，按顺序输出变化的发光图像；
每个发光图像分别经过半反半透镜反射或透射至被测面，作为照明光路；
光路经过被测面反射至半反半透镜，再透射或反射至成像装置；
成像装置将拍摄的多张图像计算获得被测面表面的特征。
9.根据权利要求8所述的应用相位偏折法检测物体表面特征的方法，其特征在于：当显示装置设于第一方向上，成像装置设于与第一方向垂直的第二方向上，半反半透镜设于与第二方向相交的第三方向上，被测面朝向显示装置，每个发光图像分别经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测面作为照明光路；光路经过被测面反射至半反半透镜，再反射至成像装置。
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