[发明专利]基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，包括投影仪、工业相机、中央处理器和光路系统；还公开了该测量系统的测量方法，包括标定阶段和测量阶段。本发明从结构和测量算法上解决反射率较强的镜面零件光学三维形貌测量的精度、效率和数据完整性问题。

主权项

1.一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌的测量方法，其使用的三维形貌测量系统，包括投影仪(1)、工业相机(3)、中央处理器(10)和光路系统(6)；投影仪(1)旁设置光路系统(6)，光路系统(6)由菲涅尔透镜(2)、分光镜(5)、第一增透镜(4)与第二增透镜(7)组成，投影仪(1)平行安装在菲涅尔透镜(2)一侧的焦点处，分光镜(5)水平呈45度角设置在菲涅尔透镜(2)另一侧，菲涅尔透镜(2)上方水平设置第一增透镜(4)，菲涅尔透镜(2)下方水平设置第二增透镜(7)，第二增透镜(7)下方设置棋盘标定板(9)，第一增透镜(4)的上方设置工业相机(3)，中央处理器(10)分别与投影仪(1)和工业相机(3)连接；其特征在于，测量方法包括标定阶段和测量阶段：标定阶段：步骤1，投射结构光并采集图像，具体步骤是：先将棋盘标定板(9)放置在第二增透镜(7)的下方，投影仪(1)投射出发散状结构光条纹图案通过菲涅尔透镜(2)变为平行状结构光条纹，水平的结构光条纹通过分光镜(5)反射后通过第二增透镜(7)竖直射向棋盘标定板(9)；每投射一幅结构光条纹到棋盘标定板(9)上，工业相机(3)就会通过第二增透镜(7)、分光镜(5)和第一增透镜(4)来捕获被结构光条纹照亮的棋盘标定板(9)，由数据线传输到中央处理器(10)，竖直方向条纹的图像序列数为20幅，加上1幅投影全白、1幅投影全黑的标定板图像，一组的标定板图像为42幅，拍摄完毕后变换棋盘标定板(9)，采集下一组的42幅图像；步骤2，标定工业相机的内参矩阵：待采集完5组标定板图片，中央处理器(10)先由输入的棋盘标定板(9)尺寸信息，生成每个角点的世界坐标信息(Xw，Yw，Zw)，由于世界坐标系的XOY平面与棋盘标定板(9)靶标平面重合，故Zw＝0；然后对第一张全白的标定板图像进行角点检测，生成每个角点的相机图像坐标信息(xc，yc)，用张正友标定方法得出工业相机的内参矩阵；步骤3，标定投影仪(1)的内参矩阵：利用水平方向和竖直方向的码结构光条纹图像序列来计算图像的直接光分量和间接光分量，设S＝{I1，I2，…，Ik}为输入的编码结构光条纹图像序列，p为图形上的某个像素点，点p的直接光分量和间接光分量分别为Ld(p)和Lg(p)，则有：其中K表示输入的编码结构光条纹图像序列的总数；i为当前的编码结构光条纹图像序列；Lp+表示点p在所有选择序列中的最大像素值；Lp—表示点p在所有选择序列中的最小像素值；b∈[0,1)，表示环境光亮度与投影仪直射光亮度的比值，是由投影仪投射的暗条纹灰度值决定的；步骤4，利用图像每个像素点的Ld(p)和Lg(p)，对图像中的结构光条纹进行阈值分割，然后用编码的逆过程对阈值分割后的图像进行解码，得出每个投影仪图像上的每个像素点坐标；设点a为相机图像上的某一个像素点，b点为a对应在投影仪图像平面上的像素点，a和b在各自像平面的齐次像素坐标为：a＝[xc，yc，1]T，b＝[xp，yp，1]T   (3)其中[xc，yc，1]T为点a在相机像平面上的齐次坐标；[xp，yp，1]T为点b在投影仪像平面上的齐次坐标；步骤5，定义点a和b之间的单应性矩阵为H，通过式(4)求得步骤6，在步骤2得到的每个相机图像坐标系下的角点应用下面式(5)可以得出该角点对应在投影仪图像坐标系下的步骤7，由以上可以求出每个在相机图像坐标系下的角点像素坐标(xc，yc)对应在投影仪图像坐标系下的像素坐标(xp，yp)，而角点的世界坐标信息为(Xw，Yw，Zw)，使用张正友的方法即可标定得出投影仪的内参矩阵；步骤8，标定投影仪和相机之间的外参矩阵：对于确定姿态的棋盘标定板图像，相机坐标系C和投影仪坐标系C′之间的转换关系如式(6)所示：C′＝R·C+T   (6)其中[R,T]即为相机和投影仪之间的外参矩阵；步骤9，根据摄像机和投影仪的内外参数，得出标定的二次投影误差，作为标定精度的衡量标准；测量阶段：步骤10，导入标定阶段得到的标定参数；步骤11，投射结构光并采集图像：将镜面零件(11)放置在第二增透镜(7)的下方，依照标定阶段的第一部分，依次向镜面零件(11)投射结构光；步骤12，工业相机(3)会通过第二增透镜(7)、分光镜(5)和第一增透镜(4)来捕获被结构光条纹照亮的镜面零件(11)，由数据线传输到中央处理器(10)；步骤13，计算被测物体的三维信息：中央处理器(10)对该42幅被结构光所照射的镜面零件(11)图像进行直接光分量和间接光分量的计算，对图像中的结构光条纹进行阈值分割，然后用编码的逆过程对阈值分割后的图像进行解码，结合测量装置的标定结果，从而得出被测物体的三维形貌信息。