專利名稱：一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效克服強反射表面或強背景光對測量的影響，實現(xiàn)高精度非接觸光學測量，可用于金屬強反射表面、類鏡面表面的三維形貌測量，本發(fā)明屬于光學三維測量技術領域。
背景技術：
基于正弦條紋投射的立體視覺檢測方法作為典型的非接觸光學主動三維測量方法，廣泛應用于三維形貌測量、逆向工程和質(zhì)量檢測等諸多領域。采用這種主動視覺測量方法的測量系統(tǒng)具有測量精度高、獲取點云稠密、測量時間短等優(yōu)點。但在測量金屬強反射表面或類鏡面表面三維形貌時，采用這種主動視覺測量方法的各類傳感器系統(tǒng)往往會失效。 主要原因在于，主動視覺測量以正確接收到物體表面的反射光作為測量基礎，而對于金屬等具有強反射表面的物體來說，物體表面的強反射性質(zhì)使得傳感器接收到得圖像飽和或過暗，產(chǎn)生信息失真，導致測量精度大幅下降，甚至難以進行正常測量。同時，當背景光強較強時，測量系統(tǒng)投射的特征光光強相對較小，測量系統(tǒng)信噪比下降，測量精度顯著降低。
針對這一問題，國內(nèi)外提出了不同的解決方法。如利用被測物體表面在不同角度下反光區(qū)域也不盡相同的特點，避開鏡面反射區(qū)域，利用漫反射進行多角度局部測量，再整體拼接成完整被測表面，此方法在整體拼接過程會引入誤差，影響測量精度。再有，利用被測物體表面鏡面反射和漫反射的不同偏振特性，在測量系統(tǒng)的相機前加裝偏振片，利用偏振片濾除具有偏振特性的鏡面反射，只讓漫反射光進入觀測相機，從而實現(xiàn)測量，但對金屬等物體表面來說，漫反射光較弱，降低了測量精度。另外，采用向具有強反光表面噴涂某種粉末，使被測物體呈現(xiàn)漫反射特性，以利于光學三維測量，但是，粉末厚度的不確定性增加了測量誤差。
總之，目前國內(nèi)外的此類測量系統(tǒng)無法對強反射表面或類鏡面表面進行完備的三維形貌非接觸光學主動三維測量，本發(fā)明針對此問題設計了一種有效、簡便、穩(wěn)定的測量系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有非接觸光學主動三維測量系統(tǒng)無法對強反射表面或類鏡面表面三維形貌進行有效測量或當背景光強較強時測量精度較低的問題。
本發(fā)明的技術解決方案為一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，它包括計算機、高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元。三者之間的位置連接關系是: 該測量系統(tǒng)通過計算機向高動態(tài)條紋投射器發(fā)送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的條紋圖像，計算機與圖像采集單元線纜相連并向圖像采集單元發(fā)送控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行拍攝；高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元通過同步觸發(fā)信號相連，保證投射圖像和拍攝圖像的實時同步進行；拍攝完成后，圖像采集單元將采集的圖像信息傳給計算機，計算機對圖像進行處理，通過多亮度圖像融合、解相、相展開、立體匹配獲得待測物體的三維信息。
所述的計算機，根據(jù)待測物體表面反射率、環(huán)境光光強等先驗信息，預先設置投射參數(shù)，投射參數(shù)包括具體的投射圖像、投射圖像的先后順序、投射圖像對應的亮度信息，計算機將投射參數(shù)和信息通過標準U SB端口寫入到高動態(tài)條紋投射器中，等待投射。計算機與圖像采集單元線纜相連，在投射開始前，向圖像采集單元發(fā)送采集控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行采集。在圖像采集完成后，圖像采集單元把采集到圖像信息傳送給計算機，由計算機進行圖像處理和計算。計算機將獲得的多幅不同亮度、不同曝光時間下的條紋圖像進行多圖像融合，獲得強反射表面完整的相移圖，再對相移圖進行解相、相展開和立體匹配，最后獲得強反射表面完整的三維形貌信息。
所述的高動態(tài)條紋投射器，采用數(shù)字投影技術和基于FPGA的高速DM D控制電路， 能夠?qū)崿F(xiàn)最高達700Hz幀頻的高速投射。其間關系是FPGA作為主控端，一方面向DMD發(fā)送圖像數(shù)據(jù)以供投影，另一方面與之相協(xié)調(diào)地控制LED光源的工作狀態(tài)，并且同時生成觸發(fā)控制信號控制相機同步拍攝；它具有輸入輸出同步觸發(fā)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)投射器和接收外圍設備的準確協(xié)同，保證接收設備對投射圖像的準確采集。照明部分采用多片LED芯片，每片 LED芯片的亮度和發(fā)光時間均可根據(jù)需要進行調(diào)制，大大拓展了投射器的亮度動態(tài)范圍。高動態(tài)條紋投射器通過兩路完全相同的同步觸發(fā)信號接口同圖像采集單元中的兩個高速網(wǎng)口相機相連，保證高動態(tài)條紋投射器高速投射圖像時，圖像采集單元能搞準確實時同步進行圖像的采集。
所述的圖像采集單元由兩臺具有外部同步觸發(fā)接口的高速網(wǎng)口相機組成，進行圖像的拍攝和傳輸。
其中，該計算機的型號是DELL的Optiplex系列980。
其中，該高速網(wǎng)口相機的型號是德國basler的piA640_210gm。
本發(fā)明的原理是由計算機根據(jù)不同的反射物表面、背景光強信息設計相應的投射參數(shù)和曝光參數(shù)，將投射參數(shù)傳送給高動態(tài)條紋投射器，高動態(tài)條紋投射器同圖像采集模塊通過同步觸發(fā)信號相連，實現(xiàn)在不同曝光參數(shù)下，投射圖像和采集圖像的實時同步。計算機對采集到的多亮度圖像進行圖像融合、解相、相展開和立體匹配，最終獲得待測表面的二維形貌息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(I)廣泛適用于各種強反射表面或類鏡面表面的三維形貌測量，適應性強。(2)有效克服背景光對測量的影響，測量精度高。(3)高速信號通道，實時同步觸發(fā)，測量速度快。


圖I為本發(fā)明一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)的結構圖；具體實施方式
見圖1，本發(fā)明一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，包括計算機、高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元。本系統(tǒng)通過計算機向高動態(tài)條紋投射器發(fā)送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的條紋圖像，同時計算機向圖像采集單元發(fā)送控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行拍攝。其中，高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元通過同步觸發(fā)信號相連，保證投射圖像和拍攝圖像的實時同步進行；拍攝完成后，圖像采集單元將采集的圖像信息傳給計算機，計算機對圖像進行處理，通過多亮度圖像融合、解相、相展開、立體匹配獲得待測物體的三維信息。
計算機部分，它是整個測量系統(tǒng)的控制中心。
計算機部分，根據(jù)待測物體表面反射率、環(huán)境光光強等先驗信息，預先設置投射參數(shù)，投射參數(shù)包括具體的投射圖像、投射圖像的先后順序、投射圖像對應的亮度信息，計算機將投射參數(shù)和信息通過標準USB端口寫入到高動態(tài)條紋投射器中，等待投射。
計算機部分中的先驗信息是在測量開始前通過預投射獲得的。不同曝光時間下， 先利用高動態(tài)條紋投射器對背景光照明下的工件進行拍攝，計算機根據(jù)拍攝獲得的圖像， 提取出物體表面反射情況、環(huán)境光光強等信息，計算機對這些信息保存，在正式測量時，根據(jù)這些信息，生成需要投射的具有不同特征的投射圖像。
計算機部分與圖像采集單元相連，在投射開始前，向圖像采集單元發(fā)送采集控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行采集。在圖像采集完成后，圖像采集單元把采集到圖像信息傳送給計算機，由計算機進行圖像處理和計算。
計算機部分中所述的采集控制信息包括圖像采集單元的曝光模式、曝光時間、光圈大小、觸發(fā)模式等。
計算機部分將獲得的多幅不同亮度、不同曝光時間下的條紋圖像進行多圖像融合，獲得強反射表面完整的相移圖，再對相移圖進行解相、相展開和立體匹配，最后獲得強反射表面完整的三維形貌信息。
計算機部分所述的圖像融合指以調(diào)制亮度值為標準，通過比較不同亮度、不同曝光時間獲得圖像的調(diào)制亮度值，記錄每一點對應調(diào)制亮度最大值的相移圖，最后提取各點， 將所有點融合成新的相移圖。對于新的相移圖，每一點的調(diào)制亮度值均為最大，同時每一點的相移圖也對應著同樣的曝光時間和亮度值。
計算機部分所述的解相，一般采用相移法。每幅圖像的光強函數(shù)可以表述為 gi (X，y) = a(x, y) + r (X，y) cos
,用最小二乘法求解相位 Φ (x, y)有 如下表達式
權利要求
1.一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于它包括計算機、高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元；該測量系統(tǒng)通過計算機向高動態(tài)條紋投射器發(fā)送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的條紋圖像，計算機與圖像采集單元線纜相連并向圖像采集單元發(fā)送控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行拍攝; 高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元通過同步觸發(fā)信號相連，保證投射圖像和拍攝圖像的實時同步進行；拍攝完成后，圖像采集單元將采集的圖像信息傳給計算機，計算機對圖像進行處理，通過多亮度圖像融合、解相、相展開、立體匹配獲得待測物體的三維信息；所述的計算機，根據(jù)待測物體表面反射率、環(huán)境光光強先驗信息，預先設置投射參數(shù)， 投射參數(shù)包括具體的投射圖像、投射圖像的先后順序、投射圖像對應的亮度信息，計算機將投射參數(shù)和信息通過標準USB端口寫入到高動態(tài)條紋投射器中，等待投射；計算機與圖像采集單元線纜相連，在投射開始前，向圖像采集單元發(fā)送采集控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行采集；在圖像采集完成后，圖像采集單元把采集到圖像信息傳送給計算機，由計算機進行圖像處理和計算；計算機將獲得的多幅不同亮度、不同曝光時間下的條紋圖像進行多圖像融合，獲得強反射表面完整的相移圖，再對相移圖進行解相、相展開和立體匹配，最后獲得強反射表面完整的三維形貌信息；所述的高動態(tài)條紋投射器，采用數(shù)字投影技術和基于FPGA的高速DMD控制電路，能夠?qū)崿F(xiàn)最高達700Hz幀頻的高速投射；FPGA作為主控端，一方面向DMD發(fā)送圖像數(shù)據(jù)以供投影，另一方面與之相協(xié)調(diào)地控制LED光源的工作狀態(tài)，并且同時生成觸發(fā)控制信號控制相機同步拍攝；它具有輸入輸出同步觸發(fā)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)投射器和接收外圍設備的準確協(xié)同， 保證接收設備對投射圖像的準確采集；照明部分采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和發(fā)光時間均根據(jù)需要進行調(diào)制，拓展了投射器的亮度動態(tài)范圍；高動態(tài)條紋投射器通過兩路完全相同的同步觸發(fā)信號接口同圖像采集單元中的兩個高速網(wǎng)口相機相連，保證高動態(tài)條紋投射器高速投射圖像時，圖像采集單元能搞準確實時同步進行圖像的采集；所述的圖像采集單元由兩臺具有外部同步觸發(fā)接口的高速網(wǎng)口相機組成，進行圖像的拍攝和傳輸。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于該計算機的型號是Optiplex系列980。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于該高速網(wǎng)口相機的型號是basler的piA640_210gm。
全文摘要
一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，它包括計算機、高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元。該系統(tǒng)通過計算機向高動態(tài)條紋投射器發(fā)送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的條紋圖像，同時計算機向圖像采集單元發(fā)送控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行拍攝；圖像采集單元將采集的圖像信息傳給計算機，計算機對圖像進行處理，通過圖像融合、解相、相展開、立體匹配獲得待測物體的三維信息。本發(fā)明能夠克服強反射表面引起的采集條紋圖像飽和或過暗，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬等強反射表面三維形貌的高精度非接觸光學測量，可應用于各種金屬強反射表面及類鏡面表面的三維形貌光學非接觸測量。
文檔編號G01B11/25GK102937425SQ20121039748
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權日2012年10月18日
發(fā)明者趙慧潔, 梁宵月, 姜宏志, 刁曉淳 申請人:北京航空航天大學