[发明专利]一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法

说明书

一种镜面及类镜面物体表面形貌测量方法与装置，采用相位测量偏折术测量镜面及类镜面面形，将液晶显示器和平面镜的组合作为标定板，其中液晶显示器固定不动，平面镜自由移动4次，由CCD探测器拍摄被平面镜反射的图像，再利用线性求解和光束法平差完成摄像机内部参数的标定，利用全局位姿评估完成液晶显示器和摄像机两者相对关系的标定，最后通过相位测量偏折术的梯度积分计算得到待测镜面的三维形貌；本发明克服了传统方法标定过程中需标定板和在平面镜上贴精确定位控制点的缺点，测量成本低，测量速度快，同时，引入透视成像过程中的旋转矩阵正交性等约束条件和傅里叶变换法进行同名点匹配，克服了高噪声、多帧处理给三维形貌恢复带来的影响。

技术领域

本发明属于物体表面形貌测量技术领域，特别涉及一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法。

背景技术

随着高反射物体在工业生产中的应用范围日益扩大，例如光学元件中的自由镜面，汽车金属车身，太阳能反射镜等，精确测量和评价镜面及类镜面的三维面形，已成为提高加工表面的质量和使用性能的重要研究内容。然而，由于高反射物体表面呈镜面反射的特性，因此传统的基于计算机视觉的物体三维形貌测量技术难以实现镜面物体的表面形貌测量。

现有的高反射物体三维形貌测量方法可分为两大类：接触式和非接触式轮廓测量法。接触式测量技术的精度很高，但测量速度慢、易磨损物体表面、对环境要求高等，这些不足限制了其在三维测量领域中的应用。非接触测量主要包括干涉法和偏折法。干涉法测量精度高，但需要额外的补偿元件，这就造成了其测量成本高，同时，对待测物类型和大小有要求，不适用于所有镜面及类镜面物体的形貌测量。偏折法以其测量装置简单、测量精度高、适用于工业现场测量等优点而得到广泛研究和应用，但其存在系统几何标定和同名点匹配等技术难点。

传统的偏折术标定方法是先利用标定板标定摄像机的内部参数，然后采取贴上控制点的高精度平面反射镜或激光跟踪仪来完成液晶显示器和摄像机之间的位姿评估，最后利用光束法平差优化标定参量，由于平面镜上控制点的坐标需要利用摄影测量或其他方法来精确定位、激光跟踪仪造价昂贵、光束法平差过程属于局部优化算法，显然，目前常用的标定方法会增加测量成本、无法保证优化的收敛性。同名点匹配一般由基于条纹图的相移算法完成，由于摄像机离焦拍摄并不影响正弦编码图的相位提取过程，因此利用条纹图进行相位匹配具有匹配精度高、空间分辨率高的优点，但是相移算法需要多次移相、重复拍摄，显然，这种多帧处理过程不利于实时快速测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法，用于高噪声背景的镜面及类镜面物体三维形貌的恢复，在使用全局位姿评估的基础上，采用自由移动四次平面镜的方式同时实现对系统各部分的标定以及整体几何标定，可以大大简化标定过程和降低测量成本，同时利用二维傅里叶变换对携带有待测镜梯度信息的相位进行简单、快速的提取，提高测量速度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，包括：

用于将棋盘格图像7-1投影在平面镜5镜面上并将二维正弦条纹7-2投影在待测镜6镜面上的液晶显示器1，其中，棋盘格图像7-1和二维正弦条纹7-2由计算机3分别在标定过程和测量过程中编码产生；

用于控制平面镜5或待测镜6自由移动的载物台；

用于拍摄经平面镜5或待测镜6反射的液晶显示器1上图像的CCD探测器2；

以及，

用于对所采集图像进行分析处理并对待测镜6镜面三维形貌进行恢复的计算机3。

所述液晶显示器1显示面朝下，正对平面镜5或待测镜6的镜面。