CN1945204A - 镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法，其测量装置由LCD平板显示器、工业摄像机、计算机和导轨组成，LCD平板显示器被固定在导轨上并通过电缆与计算机相连接，工业摄像机通过视频线与计算机相连接。测量方法包括测量装置调整、数据采集和数据处理等步骤。本发明的镜面物体表面三维轮廓测量装置组成简单，测量方法操作方便，数据处理的计算复杂性较低。

Description

镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种镜面物体表面三维轮廓测量装置和测量方法。

背景技术

镜面物体表面三维轮廓测量技术有重要的应用价值。在工程中，大量零件的表面性质为镜面反射。例如：抛光模具等精加工零部件；某些表面涂镀零件，如喷涂后的汽车覆盖件等；某些玻璃及塑料制品；印刷线路板焊点等。目前，对于该类零件的三维测量主要采用两种方法。其一，采用坐标测量机或三维测量手臂等接触式测量设备，效率很低；其二，喷涂其表面，改变其性质为漫反射后用光学方法进行测量，最后再除去涂层。显然，该方法严重削弱了光学方法的非接触优点。其它的非接触测量方法包括被动式和主动式两类。其中被动式方法包括“基于光度学的测量技术”和“从镜面反射成分恢复面形技术”，这些技术的数据处理过程复杂，并且精度较低。主动测量主要是采用结构光测量技术。其中，点结构光技术一般采用激光光源，通过电流计扫描部件精确控制出射光线的方向，对目标物体进行逐点扫描，测量其梯度，测量效率很低。采用光带扫描技术部分了提高测量的效率。面结构光技术，根据面结构光的编码方式的不同又可分为图案编码和相位编码两类方法，后者一般称为条纹投射技术。这种技术采用漫射结构光源，将强度为正弦分布的结构光投射到镜面物体表面，通过条纹位相计算被测表面的梯度。这种方法可直接获得全场信息，无需扫描装置，效率很高。上述三种结构光技术都只能测得被测面的梯度分布，必须通过数值积分方能得到被测面的高度信息，计算较为复杂，有较大的累积误差。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种通用的、非接触的、以全场方式工作的镜面物体表面三维轮廓测量装置和测量方法，可实现非接触测量，测量效率高，精度高。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种镜面物体表面三维轮廓测量装置，其特征在于：由LCD平板显示器、工业摄像机、计算机和导轨组成；所述的LCD平板显示器被垂直安装在导轨上，可以沿导轨平移至不同位置，并通过数据电缆与计算机相连接，显示由计算机生成的正弦条纹图案，并将这些条纹图案投射在被测量的物体表面上；所述的工业摄像机通过视频线与计算机相连接，工业摄像机拍摄被测量物体表面上的投射条纹图像，并通过视频线将条纹图像传输到计算机；所述的计算机将条纹图像转换成被测量物体表面轮廓。

一种镜面物体表面三维轮廓测量方法，通过上述的镜面物体表面三维轮廓测量装置实施，其特征在于操作步骤如下：

第一步、测量装置调整：

调整测量装置，确定工业摄像机和LCD平板显示器的参数，以及导轨的空间位置和方向；

第二步、数据采集：

①使平板显示器沿导轨移动到第一个位置，记录该位置；在计算机中生成正弦条纹图像，将这些正弦条纹图像显示在平板显示器上；用摄像机拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机；②使平板显示器沿导轨移动到第二个位置，记录该位置；将这些正弦条纹图像显示在平板显示器上；用摄像机拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机；

第三步、数据处理：

根据测量系统的几何参数和摄像机采集到的图像信息由计算机计算被测量表面的三维轮廓。

上述镜面物体表面三维轮廓测量方法中，第三步中所述的数据处理方法为：①对平板显示器在两个不同位置时由摄像机采集到的条纹图像进行处理，计算条纹图像的位相分布；②根据图像的像素坐标和摄像机参数确定被测表面的出射光线的方程；③根据像素对应的两个位相值和平板显示器参数确定被测表面的入射光线的方程；④计算出射光线和入射光线交点的坐标，这些坐标就是被测表面点的坐标。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、整个测量系统主要由LCD平板显示器、摄像机、计算机和导轨组成，系统结构简单。可实现非接触测量，无需传统测量技术中的各类接触式测头，降低了测量成本，提高了测量效率。

2、采用可移动平板结构光源(平板显示器)替代原有技术中的固定光源，可获得多组物面位相分布，从而实现入射光线方向的直接追踪。原理简单，物面点的空间坐标可以直接计算获得，避免了原有方法中存在的复杂的数值积分过程，同时也避免了累积误差，测量精度高。

附图说明

图1是本发明镜面物体表面三维轮廓测量装置的结构示意图；

图2是本发明镜面物体表面三维轮廓测量方法的原理图；

图3是本发明的一实施例中的被测量凹面镜照片图；

图4是本发明的一实施例中，根据测量结果绘出的等高图。

具体实施方式

本发明的一个优选实例结合附图详述如下：

参见图1，本镜面物体表面三维轮廓测量装置由LCD平板显示器(1)、工业摄像机(2)、计算机(3)和导轨(4)组成。LCD平板显示器(1)被固定在导轨(4)上并通过数据电缆(5)与计算机相(3)连接，可以显示由计算机(3)生成的正弦条纹图案，并将这些条纹图案投射在被测量的物体表面上。工业摄像机(2)通过视频线(6)与计算机(3)相连接，可拍摄被测量物体表面上的投射条纹图像，并通过视频线(6)将条纹图像传输到计算机(3)。LCD平板显示器(1)被垂直安装在导轨(4)上，可以沿导轨(4)平移至不同位置。计算机内(3)设有将条纹图像转换成被测量物体表面轮廓的软件。

本镜面物体表面三维轮廓测量方法的测量原理如图2所示。点C是摄像机的入瞳中心。摄像机光轴与空间一个平面即参考面R相交于点O。以O点为原点建立坐标系，其中X轴与图面平行，Z轴与图面垂直，Y轴与摄像机光轴重合。LCD平板显示器在导轨驱动下可沿着直线OQ运动。OQ垂直于LCD平板显示器表面。LCD平板显示器在运动前后，其表面分别位于O_AA和O_BB。直线OQ过LCD中心O_A，O_B。对于摄像机每一像素(i，j)，其接收的物面反射光线为直线CR。入射光线可通过LCD在不同位置时获取的相位信息来确定。LCD在两个位置O_AA，O_BB两个位置时，点(i，j)处条纹图像分别来自点A和B，其相位分别为φ_A和φ_B。通过φ_A和φ_B，可计算A与B的位置坐标。直线AB就是CR所对应的物面入射光线。其交点坐标即为物面点坐标。如此，遍历图像上的每一个像素点，就可以重建摄像机视野内的三维面形。

本镜面物体表面三维轮廓测量方法的测量过程包括：第一步、调整测量装置：确定工业摄像机和LCD平板显示器的参数，以及导轨的空间位置和方向。第二步、进行数据采集：①使平板显示器沿导轨移动到第一个位置，记录该位置；在计算机中生成正弦条纹图像，将这些正弦条纹图像显示在平板显示器上；用摄像机拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机；②使平板显示器沿导轨移动到第二个位置，记录该位置；将这些正弦条纹图像显示在平板显示器上；用摄像机拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机。第三步、进行数据处理：根据测量系统的几何参数和摄像机采集到的图像信息由计算机计算被测量表面的三维轮廓。首先，利用下列公式计算平板显示器在两个不同位置时由摄像机采集到的条纹图像的位相分布。

$\mathrm{\φ}(i,j)=-{\tan }^{-1}\left[\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\sin {\mathrm{\α}}_k}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\cos {\mathrm{\α}}_k}\right]$

式中(i，j)是像素的坐标。I_k是图像的灰度值。α_k＝2kπ/N(k＝0，1，ΛN-1)是相移量，由计算机控制。然后利用下列公式计算被测表面点的坐标(x，y，z)。

$x=x_R\left[\frac{h(L_1-L_2)\sin \mathrm{\θ}+K(h\cos \mathrm{\θ}-L_1){\mathrm{\φ}}_B+K(L_2-h\cos \mathrm{\θ}){\mathrm{\φ}}_A}{(x_R\cos \mathrm{\θ}-h\sin \mathrm{\θ})(L_2-L_1)+K({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)(x_R\sin \mathrm{\θ}+h\cos \mathrm{\θ})}\right]$

$y=h\left[\frac{K(x_R\sin \mathrm{\θ}+L_1){\·\mathrm{\φ}}_B-K(x_R\sin \mathrm{\θ}+L_2){\·\mathrm{\φ}}_A+x_R(L_2-L_1)\·\cos \mathrm{\θ}}{(x_R\cos \mathrm{\θ}-h\sin \mathrm{\θ})(L_2-L_1)+K({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)(x_R\sin \mathrm{\θ}+h\cos \mathrm{\θ})}\right]$

$z=z_R\left[\frac{h(L_1-L_2)\sin \mathrm{\θ}+K(h\cos \mathrm{\θ}-L_1){\mathrm{\φ}}_B+K(L_2-h\cos \mathrm{\θ}){\mathrm{\φ}}_A}{(x_R\cos \mathrm{\θ}-h\sin \mathrm{\θ})(L_2-L_1)+K({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)(x_R\sin \mathrm{\θ}+h\cos \mathrm{\θ})}\right]$

式中，h是摄像机入瞳中心到参考面的距离。θ是直线OQ与Y轴的夹角。L₁和L₂分别是LCD显示器沿着直线OQ平移到两个投射位置时，中心O_A和O_B与原点之间的距离。K＝P/(2π)是相位转换系数(P是投射条纹的节距)。x_R＝Si，y_R＝Sj(S是摄像机放大因子)。这些参数均已在测量装置调整时被确定。

以下通过一个具体实例对本发明镜面物体表面三维轮廓测量装置和测量方法的测量原理和测量过程作进一步说明：图3是一个被测凹面镜，其直径为113mm。调整测量装置，使其满足R＝0.3884mm/pixel，h＝771.2766mm。在L＝178mm和228mm两个位置投射两组条纹正弦条纹。求解位相，再计算被测物面点的坐标。图4是根据测量结果画出的等高图。

Claims (3)

1.一种镜面物体表面三维轮廓测量装置，其特征在于：由LCD平板显示器(1)、工业摄像机(2)、计算机(3)和导轨(4)组成；所述的LCD平板显示器(1)被垂直安装在导轨(4)上，可以沿导轨(4)平移至不同位置，并通过数据电缆(5)与计算机相(3)连接，显示由计算机(3)生成的正弦条纹图案，并将这些条纹图案投射在被测量的物体表面上；所述的工业摄像机(2)通过视频线(6)与计算机(3)相连接，工业摄像机(2)拍摄被测量物体表面上的投射条纹图像，并通过视频线(6)将条纹图像传输到计算机(3)；所述的计算机(3)将条纹图像转换成被测量物体表面轮廓。

2.一种镜面物体表面三维轮廓测量方法，通过根据权利要求1所述的镜面物体表面三维轮廓测量装置实施，其特征在于操作步骤如下：

第一步、测量装置调整：调整测量装置的几何参数，这些参数包括工业摄像机(2)和导轨(4)的空间位置和方向；

第二步、数据采集：①使平板显示器(1)沿导轨移动到第一个位置，记录该位置；在计算机(3)中生成正弦条纹图像，将这些正弦条纹图像显示在平板显示器(1)上；用摄像机(2)拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机(3)；②使平板显示器(1)沿导轨(4)移动到第二个位置，记录该位置；将这些正弦条纹图像显示在平板显示器(1)上；用摄像机(2)拍摄正弦条纹图像被被测物体表面所成的虚像，并输入计算机(3)；

第三步、数据处理：根据测量系统的几何参数和摄像机(2)采集到的图像信息，由计算机计算被测量表面的三维轮廓。

3.根据权利要求2所述的镜面物体表面三维轮廓测量方法，其特征在于所述的第三步中所述的数据处理方法为：①对平板显示器(1)在两个不同位置时由摄像机(2)采集到的条纹图像进行处理，计算条纹图像的位相分布；②根据图像的像素坐标和摄像机(2)参数确定被测表面的出射光线的方程；③根据像素对应的两个位相值和平板显示器(1)参数确定被测表面的入射光线的方程；④计算出射光线和入射光线交点的坐标，这些坐标就是被测表面点的坐标。

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