一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置與方法
【專利摘要】一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置與方法，涉及三維光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，是為了解決現(xiàn)有裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致體積大、測(cè)量速度慢的問(wèn)題。本發(fā)明裝置包括藍(lán)色激光光源系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)、同步控制電路、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。該裝置具有體積小、重量輕、投射速度快等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明方法通過(guò)投射隨機(jī)或偽隨機(jī)編碼圖案，正和反兩組呈周期變化的黑白條紋圖案，有效抑制零件表面的局部鏡面反射、互反射和方向反射等現(xiàn)象，快速實(shí)現(xiàn)左右相機(jī)拍攝的兩幅圖像亞像素點(diǎn)匹配，完成高反射率零件的高效測(cè)量。本發(fā)明適用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光對(duì)表面存在鏡面反射、方向反射的金屬和非金屬零件實(shí)現(xiàn)無(wú)涂覆光學(xué)三維測(cè)量裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)日趨成熟。由于面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)具有非接觸、測(cè)量速度快、精度高等特點(diǎn)。目前在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、逆向工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在對(duì)精加工的金屬原色表面零件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)面結(jié)構(gòu)光投射到零件表面時(shí)，在其表面產(chǎn)生的局部鏡面反射、互反射會(huì)造成圖像傳感器過(guò)飽和，而方向反射會(huì)造成所拍攝圖像特征過(guò)暗，噪聲過(guò)大等問(wèn)題，使得測(cè)量精度下降，甚至無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
[0003]針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外提出了不同的解決方法。傳統(tǒng)的方法是在被測(cè)零件的表面噴涂一層可以減小零件反光的化學(xué)物質(zhì)，如白色的顯像劑、鈦白粉等物質(zhì)。其目的是通過(guò)涂層改變零件表面的反射特性，使零件變成均勻的漫反射，以便對(duì)零件進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，大大提高測(cè)量效率。但是這樣做的不利之處是:1)、增加了測(cè)量的工序:測(cè)量前需要很長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間，測(cè)量后要將涂層除去；2)、影響測(cè)量精度(涂層的厚度約為0.01-0.04mm) ;3)、最重要的是某些具有高性能表面的零件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，不允許在其表面噴涂任化學(xué)物質(zhì)。
[0004]針對(duì)于結(jié)構(gòu)光在測(cè)量有光澤的金屬零件時(shí)，專利US7092094B2中公開(kāi)了一種基于偏振光的線結(jié)構(gòu)光三角測(cè)量方法，在一定程度上解決了互反射造成的測(cè)量問(wèn)題。但是這種方法在測(cè)量過(guò)程中需要不斷的調(diào)整偏振片的角度，測(cè)量過(guò)程繁瑣，效率低很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。Hu等提出了一種基于顏色分離和掩膜分割的方法解決該問(wèn)題，用彩色光源照射被測(cè)零件，通過(guò)在不同的相機(jī)前加裝濾光片，只允許特定顏色的光被相機(jī)接收來(lái)測(cè)量葉片的不同的區(qū)域，再將所有的測(cè)量結(jié)果融合到一起。該方法既需要多顏色的光源，還需要多個(gè)測(cè)量相機(jī)，不利于系統(tǒng)的集成。Zhang等提出了一種多曝光序列圖像融合的方法對(duì)具有不同反射率零件進(jìn)行測(cè)量。專利CN101694375B公開(kāi)了一種強(qiáng)反射表面三維形貌測(cè)量的立體視覺(jué)檢測(cè)方法，但是上述兩種方法需要額外的投射大量的圖像，降低了測(cè)量速度。Nayar等提出了一種散射結(jié)構(gòu)光的方法，通過(guò)在投射光源與被測(cè)量零件間放置線性散射鏡消除局部反光和陰影給測(cè)量帶來(lái)的問(wèn)題，獲得了較好的測(cè)量結(jié)果，但是這種方法不適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。專利US20110279656A1中公開(kāi)了一種基于顏色不變量的線結(jié)構(gòu)光對(duì)高反射率表面的測(cè)量方法，該方法需要額外的控制系統(tǒng)、測(cè)量效率低。
[0005]總結(jié)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置和方法，存在以下不足:
[0006]一、結(jié)構(gòu)光投射裝置:現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光投射裝置多采用DLP、IXD和LCOS等投影技術(shù)的成品投影機(jī)或是經(jīng)改造的投影機(jī)，其不足為:1)、投影技術(shù)為了投射層次感強(qiáng)的圖像加入了伽馬系數(shù)，造成面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量過(guò)程中存在伽馬非線性，導(dǎo)致相位誤差，影響測(cè)量精度；2)、不能更換鏡頭，只能測(cè)量固定幅面；3)、多為偏軸投射，不利于系統(tǒng)集成；4)、采用鹵素?zé)舻脑O(shè)備體積龐大，采用LED等的設(shè)備亮度不高，易受環(huán)境光影響；5)、投射圖像頻率低，一般為60中貞。
[0007]二、現(xiàn)有的反光零件測(cè)量方法的不足為:1)、需要投射多幅不同曝光時(shí)間的圖像，圖像數(shù)量多，融合算法復(fù)雜；2)、傳統(tǒng)的正弦光柵條紋方法需要投射多幅不同頻率圖像，應(yīng)用多步相移進(jìn)行相位解包裹，這就要求被測(cè)量物體在測(cè)量過(guò)程中要保持靜止；3)、偏振光和顏色不變量的方法需要偏振片和控制系統(tǒng)等額外的硬件設(shè)備。
[0008]因此，國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用面結(jié)構(gòu)光對(duì)高反射率表面測(cè)量的問(wèn)題上還沒(méi)有一個(gè)完備的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致體積大、測(cè)量速度慢的問(wèn)題，從而提供一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置與方法。
[0010]一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，它包括藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)、結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)、同步電路(3)、圖像采集系統(tǒng)(4)和計(jì)算機(jī)(5)；
[0011]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)包括激光二極管驅(qū)動(dòng)電路(21)、一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)、二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)、反光鏡(24)、匯聚透鏡鏡(25)和擴(kuò)散片組(26)；
[0012]結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)包括伺服馬達(dá)(27)、帶有圖案的圓形光柵片(28)和聚焦鏡頭
(29)；
[0013]一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)豎直設(shè)置，二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)水平設(shè)置；
[0014]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)發(fā)出的水平方向的光入射至匯聚透鏡(24)；
[0015]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)發(fā)出的豎直方向的光入射至反光鏡組(24)，經(jīng)所述反光鏡(24)反射至匯聚透鏡(25);匯聚鏡(25)將一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)投射的光會(huì)聚至擴(kuò)散片組(26);經(jīng)所述擴(kuò)散片組(26)兩次擴(kuò)散至帶有圖案的圓形光柵片(28)，經(jīng)帶有圖案的圓形光柵片(28)透射至聚焦鏡頭(29)，并經(jīng)聚焦鏡頭(29)聚焦至待測(cè)零件上；
[0016]伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0017]圖像采集系統(tǒng)(4)包括兩個(gè)C⑶相機(jī)和兩塊藍(lán)光濾光片，所述兩塊藍(lán)光濾光片分別設(shè)置在兩個(gè)CCD相機(jī)的鏡頭上；所述兩個(gè)CCD相機(jī)均用于采集待測(cè)零件的圖像；
[0018]同步電路(3)用于控制兩個(gè)CCD相機(jī)作同步采集；
[0019]所述兩個(gè)CCD相機(jī)的圖像信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)(5)的兩個(gè)圖像信號(hào)輸入端連接。
[0020]帶有圖案的圓形光柵片(28)上帶有三幅圖案，第一幅圖案為二維隨機(jī)編碼圖案或二維偽隨機(jī)編碼圖案；第二幅圖案為周期性黑白條紋組成的條紋圖案；第三幅圖案為與第二幅圖案的鏡像圖案。
[0021]帶有圖案的圓形光柵片(28)上的三幅圖案均布在圓形光柵片的圓周上。
[0022]一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)均包括M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管，M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管之間并聯(lián)。
[0023]基于上述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的測(cè)量方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0024]步驟一、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第一幅圖案投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)；
[0025]步驟二、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)C⑶相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，通過(guò)左、右圖像的編碼一致性確定左右兩幅圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域；
[0026]步驟三、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第二幅圖案和第三幅圖像先后投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)；
[0027]步驟四、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)CCD相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，獲得左、右CCD相機(jī)條紋的位置，并通過(guò)步驟二獲得的對(duì)應(yīng)區(qū)域確定步驟三獲得的條紋的位置的對(duì)應(yīng)區(qū)域；
[0028]步驟五、對(duì)兩個(gè)CXD相機(jī)采集的第二幅圖案和第三幅圖案進(jìn)行處理，對(duì)兩幅圖像分別進(jìn)行邊緣檢測(cè)，通過(guò)求解邊緣交點(diǎn)及極線約束來(lái)對(duì)左、右相機(jī)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行亞像素匹配；
[0029]步驟六、利用步驟五中的亞像素匹配點(diǎn)，通過(guò)三角測(cè)量原理和已經(jīng)標(biāo)定好的CXD相機(jī)內(nèi)外參數(shù)計(jì)算待測(cè)零件的三維坐標(biāo)，完成高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量。
[0030]本發(fā)明的有益效果:
[0031]一、本發(fā)明采用藍(lán)色激光做為光源發(fā)明了面結(jié)構(gòu)光投射裝置，該裝置與現(xiàn)有的應(yīng)用LCD、LCOS、DLP等技術(shù)的成品投影機(jī)作為投射裝置具的有優(yōu)勢(shì)為:1)、不存在伽馬非線性；2)、可以根據(jù)需要更換鏡頭，實(shí)現(xiàn)不同幅面的測(cè)量；3)、體積小、重量輕，利于設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)在線或在機(jī)測(cè)量；4)、亮度高、抗環(huán)境光能力強(qiáng)，亮度可以隨意調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種反光零件表面的測(cè)量；5)、投射頻率高，每秒投射頻率200幀以上，是多數(shù)投影機(jī)投射頻率的4倍，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
[0032]二、本發(fā)明的測(cè)量方法與現(xiàn)有方法比較具有的優(yōu)勢(shì)為:1)、本發(fā)明方法可以僅通過(guò)投射三幅圖像實(shí)現(xiàn)測(cè)量，測(cè)量速度快；2)、本發(fā)明方法在測(cè)量過(guò)程中不要求測(cè)頭與被測(cè)物體保持相對(duì)靜止，對(duì)振動(dòng)等影響不敏感，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間等復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量任務(wù)。3)、本發(fā)明方法測(cè)量效率高，不需要額外的硬件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1是本發(fā)明面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本本發(fā)明激光光源擴(kuò)散及結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置原理圖；
[0035]圖3是本發(fā)明圓光柵示意圖；
[0036]圖4是本發(fā)明的測(cè)量方法流程圖；
[0037]圖5是【具體實(shí)施方式】一中第一幅圖案31由唯一的或呈周期變化的黑白像素隨機(jī)分布或偽隨機(jī)分布的二維陣列示意圖；
[0038]圖6是圖5組成的圖案；
[0039]圖7是第二幅圖案32為周期性黑白條紋組成的條紋圖案；
[0040]圖8是圖7的反圖案；
[0041]圖9是本發(fā)明的CXD攝像機(jī)采集投射到被測(cè)物體的條紋圖像一部分示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0042]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說(shuō)明本【具體實(shí)施方式】，一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，它包括藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)、結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)、同步電路(3)、圖像采集系統(tǒng)⑷和計(jì)算機(jī)(5)；
[0043]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)包括激光二極管驅(qū)動(dòng)電路(21)、一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)、二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)、反光鏡(24)、匯聚透鏡(25)和擴(kuò)散片組(26)；
[0044]結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)包括伺服馬達(dá)(27)、帶有圖案的圓形光柵片(28)和聚焦鏡頭
(29)；
[0045]一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)豎直設(shè)置，二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)水平設(shè)置；
[0046]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)發(fā)出的水平方向的光入射至匯聚透鏡(25)；
[0047]藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)發(fā)出的豎直方向的光入射至反光鏡組(24)，經(jīng)所述反光鏡(24)反射至匯聚透鏡(25);匯聚透鏡(25)將一號(hào)藍(lán)色激光模組
(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)發(fā)出的光會(huì)聚至擴(kuò)散片組(26);經(jīng)所述擴(kuò)散片組(26)兩次擴(kuò)散至帶有圖案的圓形光柵片(28)，經(jīng)帶有圖案的圓形光柵片(28)投射至聚焦鏡頭(29)，并經(jīng)聚焦鏡頭(29)聚焦至待測(cè)零件上；
[0048]伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0049]圖像采集系統(tǒng)(4)包括兩個(gè)CXD相機(jī)和兩塊藍(lán)光濾光片，所述兩塊藍(lán)光濾光片分別設(shè)置在兩個(gè)CCD相機(jī)的鏡頭上；所述兩個(gè)CCD相機(jī)均用于采集待測(cè)零件的圖像；
[0050]同步電路(3)用于控制兩個(gè)CCD相機(jī)作同步采集；
[0051]所述兩個(gè)CXD相機(jī)的圖像信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)(5)的兩個(gè)圖像信號(hào)輸入端連接。
[0052]【具體實(shí)施方式】二、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的區(qū)別在于，帶有圖案的圓形光柵片(28)上帶有三幅圖案，第一幅圖案為二維隨機(jī)編碼圖案或二維偽隨機(jī)編碼圖案；第二幅圖案為周期性黑白條紋組成的條紋圖案；第三幅圖案為與第二幅圖案的鏡相圖案。
[0053]【具體實(shí)施方式】三、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】二所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的區(qū)別在于，帶有圖案的圓形光柵片(28)上的三幅圖案均布在圓形光柵片的圓周上。
[0054]【具體實(shí)施方式】四、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】二所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的區(qū)別在于，一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組
(23)均包括M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管，M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管之間并聯(lián)。
[0055]工作原理:
[0056]本發(fā)明中的藍(lán)色激光光源系統(tǒng)發(fā)出藍(lán)色面光照射到結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)上，將特定的圖案經(jīng)鏡頭匯聚后投射于被測(cè)量物體上，經(jīng)圖像采集系統(tǒng)將投射在被測(cè)物體上的圖案采集回計(jì)算機(jī)，應(yīng)用相應(yīng)的算法計(jì)算被測(cè)物體的三維坐標(biāo)，完成三維測(cè)量任務(wù)。
[0057]藍(lán)色激光光源系統(tǒng)包括激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、匯聚透鏡、反光鏡、擴(kuò)散片和兩塊藍(lán)色激光模組，兩塊模組呈90度垂直布置。兩模組上的藍(lán)色激光二級(jí)管呈水平與豎直矩陣狀排列，通過(guò)一組反光鏡對(duì)一塊激光模組發(fā)出的光線進(jìn)行反射，照射到匯聚透鏡上；另一塊模組發(fā)出的光直接照射到匯聚透鏡上，匯聚成一束光。再將匯聚光束投射到擴(kuò)散片上，經(jīng)過(guò)兩次擴(kuò)散后將點(diǎn)激光轉(zhuǎn)化為面激光。將特定圖案的光柵片放置在光源前方，通過(guò)鏡頭聚焦將面結(jié)構(gòu)光圖案投射在被測(cè)量物體上。該裝置可以隨時(shí)控制激光二極管點(diǎn)亮的數(shù)量，進(jìn)而調(diào)整光源亮度，為反光零件三維測(cè)量過(guò)程提供亮度可調(diào)的光源。該方案制造成本低廉、亮度高、投射速度快、能靈活實(shí)現(xiàn)不同幅面測(cè)量。
[0058]結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)包括伺服馬達(dá)、帶有特定圖案的圓形光柵片，聚焦鏡頭。通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)圓形光柵片轉(zhuǎn)動(dòng)，將圖案投射在被測(cè)量物體上。該圖案其由公知的光柵蝕刻方法制成，圖案由三幅圖組成，第一幅圖案為一隨機(jī)或偽隨機(jī)編碼圖案，第二幅圖案為黑白條紋組成的條紋圖案。第三幅圖案為第二幅圖案的反圖案，就是說(shuō)第一幅圖案為黑色不透明的地方在第二幅圖案上為白色透明。三幅圖案呈120度均勻布置在光柵圓盤上。
[0059]同步控制電路中，伺服馬達(dá)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，被控制電路接收，將其轉(zhuǎn)換成圖像采集系統(tǒng)能夠接受的信號(hào)，觸發(fā)兩個(gè)CCD相機(jī)同時(shí)采集被測(cè)量物體上的圖像。
[0060]圖像采集系統(tǒng)包括兩臺(tái)CXD相機(jī)、兩個(gè)鏡頭和兩塊藍(lán)色濾光片。兩個(gè)相機(jī)光軸與基線的夾角為不同大小的角，但是保證兩個(gè)相機(jī)光軸的夾角成30度。例如:一個(gè)相機(jī)與基線的夾角為10度，另一個(gè)相機(jī)與基線的夾角為20度。將濾光片安裝在相機(jī)鏡頭的前方，濾除掉環(huán)境光，只有系統(tǒng)投射出去的藍(lán)色光線經(jīng)反射照射到CCD芯片上，將不受環(huán)境光干擾的被測(cè)物體圖像采集送到計(jì)算機(jī)。
[0061]【具體實(shí)施方式】五、如圖1所示，藍(lán)色激光光源系統(tǒng)I發(fā)出藍(lán)色面光照射到結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)2上，將特定的圖案經(jīng)鏡頭匯聚后投射于被測(cè)量物體上，每投射一幅圖像將通過(guò)同步控制電路3發(fā)出脈沖信號(hào)觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)4的兩個(gè)CCD相機(jī)進(jìn)行同步拍攝將投射在被測(cè)物體上的圖案采集送回到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5，對(duì)圖像進(jìn)行處理計(jì)算被測(cè)物體的三維坐標(biāo)，完成三維測(cè)量任務(wù)。
[0062]如圖2所示，藍(lán)色激光光源系統(tǒng)中:兩模組上的藍(lán)色激光二級(jí)管呈水平與豎直矩陣狀排列，通過(guò)一組反光鏡對(duì)一塊激光模組發(fā)出的光線進(jìn)行反射，照射到匯聚透鏡上；另一塊模組發(fā)出的光直接照射到匯聚透鏡上，匯聚成一束光。再將匯聚光束投射到擴(kuò)散片26上，經(jīng)過(guò)兩次擴(kuò)散后將點(diǎn)激光轉(zhuǎn)化為面激光。將面激光照射到結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)上，通過(guò)鏡頭聚焦將面結(jié)構(gòu)光圖案投射在被測(cè)量物體上。該裝置可以隨時(shí)控制激光二極管點(diǎn)亮的數(shù)量，進(jìn)而調(diào)整光源亮度，為反光零件三維測(cè)量過(guò)程提供亮度可調(diào)的光源。該方案制造成本低廉、亮度高、投射速度快、能靈活實(shí)現(xiàn)不同幅面測(cè)量。
[0063]如圖2所示，結(jié)構(gòu)光圖案生成系統(tǒng)中，通過(guò)伺服馬達(dá)27帶動(dòng)圓形光柵片28轉(zhuǎn)動(dòng)，將圖案投射在待測(cè)零件上。該圖案其由公知的光柵蝕刻方法制成，如圖3所示，圓形光柵片28上的圖案由三幅圖組成，第一幅圖案31為二維的隨機(jī)或偽隨機(jī)編碼圖案，例如:31由唯一的或呈周期變化的黑白像素隨機(jī)分布或偽隨機(jī)分布的二維陣列(如圖5所示)組成的圖案(如圖6所示)。第二幅圖案32為周期性黑白條紋組成的條紋圖案(如圖7所示)。第三幅圖案(如圖8所示)33為32的反圖案，就是說(shuō)32上為黑色不透明的地方在33上為白色透明。31、32和33三幅圖案呈120度均勻布置在光柵圓盤上。
[0064]如圖1所示，同步控制電路3，在伺服馬達(dá)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，被控制電路接收，將其轉(zhuǎn)換成圖像采集系統(tǒng)能夠接受的信號(hào)，觸發(fā)兩個(gè)CCD相機(jī)同時(shí)采集被測(cè)量物體上的圖像。
[0065]如圖1的虛線框所示，圖像采集系統(tǒng)4包括兩臺(tái)(XD相機(jī)、兩個(gè)鏡頭和兩塊藍(lán)光濾光片。兩個(gè)相機(jī)光軸與基線的夾角為不同大小的角，但是保證兩個(gè)相機(jī)光軸的夾角成30度。例如:一個(gè)相機(jī)與基線的夾角為10度，另一個(gè)相機(jī)與基線的夾角為20度。將濾光片安裝在相機(jī)鏡頭的前方，濾除掉環(huán)境光，只有系統(tǒng)投射出去的藍(lán)色光線經(jīng)反射照射到CCD芯片上，將不受環(huán)境光干擾的被測(cè)物體圖像采集送到計(jì)算機(jī)。
[0066]【具體實(shí)施方式】六、基于【具體實(shí)施方式】二所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的測(cè)量方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0067]步驟一、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第一幅圖案投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)；
[0068]步驟二、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)C⑶相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，通過(guò)左、右圖像的編碼一致性確定左右兩幅圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域；
[0069]步驟三、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第一幅圖案和第三幅圖像先后投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)；
[0070]步驟四、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)CCD相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，獲得左、右CCD相機(jī)條紋的位置，并通過(guò)步驟二獲得的對(duì)應(yīng)區(qū)域確定步驟三獲得的條紋的位置的對(duì)應(yīng)區(qū)域；
[0071]步驟五、對(duì)兩個(gè)C⑶相機(jī)采集的第二幅圖案和第三幅圖案進(jìn)行處理，對(duì)兩幅圖像分別進(jìn)行邊緣檢測(cè)，通過(guò)求解邊緣交點(diǎn)及極線約束來(lái)對(duì)左、右相機(jī)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行亞像素匹配；
[0072]步驟六、利用步驟五中的亞像素匹配點(diǎn)，通過(guò)三角測(cè)量原理和已經(jīng)標(biāo)定好的CXD相機(jī)內(nèi)外參數(shù)計(jì)算待測(cè)零件的三維坐標(biāo)·，完成高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量。
[0073]【具體實(shí)施方式】七、基于【具體實(shí)施方式】二所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的測(cè)量方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0074]如圖4所示,本實(shí)施例對(duì)高反射率零件的三維測(cè)量方法包括如下步驟:
[0075]步驟(1)、應(yīng)用圖2所示的面結(jié)構(gòu)光投射裝置將圖6所示的圖案投射到被測(cè)量零件上，通過(guò)圖1中的4-圖像采集系統(tǒng)的兩個(gè)CCD相機(jī)把經(jīng)過(guò)被測(cè)量零件調(diào)制的變形圖案采集送回到計(jì)算機(jī)。
[0076]步驟(2)、對(duì)兩個(gè)相機(jī)采集的第一幅圖案進(jìn)行處理，通過(guò)左右圖像的編碼一致性確定左右兩幅圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域。
[0077]步驟(3)、應(yīng)用圖2所示的面結(jié)構(gòu)光投射裝置將圖7所示的圖案投射到被測(cè)量零件，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)的兩個(gè)CCD相機(jī)把經(jīng)過(guò)被測(cè)量零件調(diào)制的變形圖案采集送回到計(jì)算機(jī)。
[0078]步驟(4)、通過(guò)步驟(2)中的對(duì)應(yīng)區(qū)域確定步驟(3)中的左右相機(jī)條紋位置，對(duì)條紋進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并對(duì)條紋進(jìn)行邊緣檢測(cè)。
[0079]步驟(5)、應(yīng)用圖2所示的面結(jié)構(gòu)光投射裝置將圖8所示的圖案投射到被測(cè)量零件，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)的兩個(gè)CCD相機(jī)把經(jīng)過(guò)被測(cè)量零件調(diào)制的變形圖案采集送回到計(jì)算機(jī)。
[0080]步驟(6)、通過(guò)步驟(2)中的對(duì)應(yīng)區(qū)域確定步驟(5)中的左右相機(jī)條紋位置，對(duì)條紋進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并對(duì)條紋進(jìn)行邊緣檢測(cè)。[0081]步驟(7)、對(duì)步驟(4)和(6)的邊緣進(jìn)行差分計(jì)算，獲得亞像素邊緣。具體過(guò)程為:如圖9所示，為采集回計(jì)算機(jī)的正條紋Ip和反條紋Ih圖像的一部分，由于零件表面各種反射現(xiàn)象的存在，采集到的條紋圖像邊緣會(huì)變得模糊，這里用Id表示圖像Ip和Ih的差分，所以有Id = Ip-1n,這里我們把Id分成Id+和Id-兩部分，分別代表1d > O和Id < O。ID+和ID_的
零交叉邊緣位置可以分別表示為
【權(quán)利要求】
1.一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，其特征是:它包括藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)、結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)、同步電路(3)、圖像采集系統(tǒng)(4)和計(jì)算機(jī)(5)； 藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)包括激光二極管驅(qū)動(dòng)電路(21)、一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)、二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)、反光鏡(24)、匯聚透鏡(25)和擴(kuò)散片組(26)； 結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)(2)包括伺服馬達(dá)(27)、帶有圖案的圓形光柵片(28)和聚焦鏡頭(29)； 一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)豎直設(shè)置，二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)水平設(shè)置； 藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)發(fā)出的水平方向的光直接投射至匯聚透鏡(25)； 藍(lán)色激光系統(tǒng)(I)經(jīng)二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)發(fā)出的豎直方向的光投射至反射至反光鏡組(24)，反射紙匯聚透鏡(25)，經(jīng)所述匯聚透鏡將一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)發(fā)出的光線會(huì)聚至擴(kuò)散片組(26);經(jīng)所述擴(kuò)散片組(26)經(jīng)兩次擴(kuò)散至帶有圖案的圓形光柵片(28)，經(jīng)帶有圖案的圓形光柵片(28)透射至聚焦鏡頭(29)，并經(jīng)聚焦鏡頭(29)聚焦至待測(cè)零件上； 伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)轉(zhuǎn)動(dòng)； 圖像采集系統(tǒng)(4)包括兩個(gè)C⑶相機(jī)和兩塊藍(lán)光濾光片，所述兩塊藍(lán)光濾光片分別設(shè)置在兩個(gè)CCD相機(jī)的鏡頭上；所述兩個(gè)CCD相機(jī)均用于采集待測(cè)零件的圖像； 同步電路(3)用于控制兩個(gè)CCD相機(jī)作同步采集；` 所述兩個(gè)CCD相機(jī)的圖像信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)(5)的兩個(gè)圖像信號(hào)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，其特征在于帶有圖案的圓形光柵片(28)上帶有三幅圖案，第一幅圖案為二維隨機(jī)編碼圖案或二維偽隨機(jī)編碼圖案；第二幅圖案為周期性黑白條紋組成的條紋圖案；第三幅圖案為與第二幅圖案的鏡像圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，其特征在于帶有圖案的圓形光柵片(28)上的三幅圖案均布在圓形光柵片的圓周上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置，其特征在于一號(hào)藍(lán)色激光模組(22)和二號(hào)藍(lán)色激光模組(23)均包括M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管，M個(gè)藍(lán)色激光二級(jí)管之間并聯(lián)。
5.基于權(quán)利要求2所述的一種用于高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征是:它由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第一幅圖案投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)； 步驟二、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)C⑶相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，通過(guò)左、右圖像的編碼一致性確定左右兩幅圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域； 步驟三、采用伺服馬達(dá)(27)帶動(dòng)帶有圖案的圓形光柵片(28)旋轉(zhuǎn)，將第二幅圖案和第三幅圖像先后投射到待測(cè)零件上，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)中的兩個(gè)CCD相機(jī)采集待測(cè)零件上的圖案，并分別將該圖案輸入至計(jì)算機(jī)； 步驟四、采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)CCD相機(jī)采集的圖案進(jìn)行處理，獲得左、右CCD相機(jī)條紋的位置，并通過(guò)步驟二獲得的對(duì)應(yīng)區(qū)域確定步驟三獲得的條紋的位置的對(duì)應(yīng)區(qū)域； 步驟五、對(duì)兩個(gè)CCD相機(jī)采集的第二幅圖案和第三幅圖案進(jìn)行處理，對(duì)兩幅圖像分別進(jìn)行邊緣檢測(cè)，通過(guò)求解邊緣交點(diǎn)及極線約束來(lái)對(duì)左、右相機(jī)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行亞像素匹配；步驟六、利用步驟五中的亞像素匹配點(diǎn)，通過(guò)三角測(cè)量原理和已經(jīng)標(biāo)定好的C⑶相機(jī)內(nèi)外參數(shù)計(jì)算待測(cè)零件的三維坐標(biāo)，`完成高反射率零件的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK103868472SQ201310717211
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】何萬(wàn)濤, 郭延艷, 車向前, 馬鶴瑤, 孟祥林, 劉丹丹, 趙燦, 程俊廷 申請(qǐng)人:黑龍江科技大學(xué)