[发明专利]基于条纹投影的平面度测量方法

说明书

本发明涉及三维视觉测量技术，为满足快速全场地对工件测量平面度的需求，解决平面度测量技术中测量速度、精度与环境适应性之间的矛盾。本发明，基于条纹投影的平面度测量方法,利用小型投影仪、工业相机和计算机实现，安装偏振片；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。本发明主要应用于三维视觉测量场合。

技术领域

本发明涉及三维视觉测量技术，具体讲，涉及基于条纹投影的平面三维重建及其平面度测量系统。

背景技术

机械零件表面检测是工业领域中重要的一环。通过检测零件表面的形状、平面度、直线度和粗糙度等等形位误差，将实现对机械零件加工的质量控制。平面度指所有元素在一个理想平面上，而这一理想平面平行于两个包络所有元素的最小距离的两个平面。平面度误差则值得是表面元素对理想平面的偏离程度，是评价零件几何误差的重要指标。

三坐标测量机(CMM)是最常用的平面度测量技术，但其所评估的平面度误差受采样点的数目和相应的数据处理方法影响严重。另外，CMM采集采样的点的效率不高，不适用于在线测量。实际工业生产中常利用非接触式检测方法。例如西门子所开发的“SI-FLAT”电磁平面度测量系统将产品表面的形貌特征转化为电磁信号的响应幅度；另外一种电磁自感测量系统将形貌特征转化为电压信号。以上两种系统都需要测量系统与被测表面之间的相对运动所以并非全场测量。

光学测量方法可利用点、线和面结构光来测量物体表面特征。通过排布多个点投射器，可以快速获取表面多个采样点坐标。激光线技术通过扫描的方式也可以获得全场的形貌。干涉法和反射法应用面结构光可提供快速的全场测量结果，但是应用领域仅仅局限于高反光表面，并且其设备复杂昂贵。

光栅投影技术属于光学方法中的面结构光方法，该方法利用投影仪投射出光栅条纹，利用相机拍摄经过形貌调制后的变形条纹，可快速全场的测量出物体的表面形貌，且相机中每一个像素都能提供一个采样点。通过后续的数据处理算法，可以测量出被测表面的平面度。

发明内容

为克服现有技术的不足，满足快速全场地对工件测量平面度的需求，解决平面度测量技术中测量速度、精度与环境适应性之间的矛盾。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于条纹投影的平面度测量方法,利用小型投影仪、工业相机和计算机实现，包括下列步骤：安装偏振片以消除工件表面高反光区域引起的过曝影响；投影仪非线性响应预矫正；计算机生成标准正弦条纹传输给投影仪投射；相机捕捉投射在被测物表面的变形条纹；计算机处理条纹，通过条纹的四步相移计算折叠相位；将折叠相位展开；通过对相位与高度关系的标定，得到被测面的点云；处理点云，提取点云中的特定被测平面点云；对提取的特定点云作处理得到理想参考平面；计算距离参考面的两个极限点，进而计算出平面度误差。

具体步骤细化如下：

搭建测量系统

在投影仪和相机镜头前各安装一个偏振片，且两个偏振片的偏振方向互相垂直；之后投影仪投射条纹和相机拍摄条纹都需要利用偏振片消除镜面反射分量的光线，保留漫反射分量的有用信息；

使投影仪固定灰度间距投射0-255范围的亮度，检测相机拍摄的灰度；将两者之间做三阶曲线拟合，并计算其反函数；将反函数运用于将来的条纹投射，此时可采集到矫正后的条纹；

利用条纹投影技术快速地采集到大量的表面采样点