[發(fā)明專利]一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN102937425A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發(fā)明（設計）人: 趙慧潔;梁宵月;姜宏志;刁曉淳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效克服強反射表面或強背景光對測量的影響，實現(xiàn)高精度非接觸光學測量，可用于金屬強反射表面、類鏡面表面的三維形貌測量，本發(fā)明屬于光學三維測量技術領域。

背景技術

基于正弦條紋投射的立體視覺檢測方法作為典型的非接觸光學主動三維測量方法，廣泛應用于三維形貌測量、逆向工程和質量檢測等諸多領域。采用這種主動視覺測量方法的測量系統(tǒng)具有測量精度高、獲取點云稠密、測量時間短等優(yōu)點。但在測量金屬強反射表面或類鏡面表面三維形貌時，采用這種主動視覺測量方法的各類傳感器系統(tǒng)往往會失效。主要原因在于，主動視覺測量以正確接收到物體表面的反射光作為測量基礎，而對于金屬等具有強反射表面的物體來說，物體表面的強反射性質使得傳感器接收到得圖像飽和或過暗，產生信息失真，導致測量精度大幅下降，甚至難以進行正常測量。同時，當背景光強較強時，測量系統(tǒng)投射的特征光光強相對較小，測量系統(tǒng)信噪比下降，測量精度顯著降低。

針對這一問題，國內外提出了不同的解決方法。如利用被測物體表面在不同角度下反光區(qū)域也不盡相同的特點，避開鏡面反射區(qū)域，利用漫反射進行多角度局部測量，再整體拼接成完整被測表面，此方法在整體拼接過程會引入誤差，影響測量精度。再有，利用被測物體表面鏡面反射和漫反射的不同偏振特性，在測量系統(tǒng)的相機前加裝偏振片，利用偏振片濾除具有偏振特性的鏡面反射，只讓漫反射光進入觀測相機，從而實現(xiàn)測量，但對金屬等物體表面來說，漫反射光較弱，降低了測量精度。另外，采用向具有強反光表面噴涂某種粉末，使被測物體呈現(xiàn)漫反射特性，以利于光學三維測量，但是，粉末厚度的不確定性增加了測量誤差。

總之，目前國內外的此類測量系統(tǒng)無法對強反射表面或類鏡面表面進行完備的三維形貌非接觸光學主動三維測量，本發(fā)明針對此問題設計了一種有效、簡便、穩(wěn)定的測量系統(tǒng)。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有非接觸光學主動三維測量系統(tǒng)無法對強反射表面或類鏡面表面三維形貌進行有效測量或當背景光強較強時測量精度較低的問題。

本發(fā)明的技術解決方案為：一種基于高動態(tài)條紋投射器的強反射表面三維形貌測量系統(tǒng)，它包括計算機、高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元。三者之間的位置連接關系是：該測量系統(tǒng)通過計算機向高動態(tài)條紋投射器發(fā)送投射控制信息，控制其投射不同亮度、不同灰度的條紋圖像，計算機與圖像采集單元線纜相連并向圖像采集單元發(fā)送控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行拍攝；高動態(tài)條紋投射器和圖像采集單元通過同步觸發(fā)信號相連，保證投射圖像和拍攝圖像的實時同步進行；拍攝完成后，圖像采集單元將采集的圖像信息傳給計算機，計算機對圖像進行處理，通過多亮度圖像融合、解相、相展開、立體匹配獲得待測物體的三維信息。

所述的計算機，根據(jù)待測物體表面反射率、環(huán)境光光強等先驗信息，預先設置投射參數(shù)，投射參數(shù)包括具體的投射圖像、投射圖像的先后順序、投射圖像對應的亮度信息，計算機將投射參數(shù)和信息通過標準U?SB端口寫入到高動態(tài)條紋投射器中，等待投射。計算機與圖像采集單元線纜相連，在投射開始前，向圖像采集單元發(fā)送采集控制信息，控制圖像采集單元在不同曝光時間下進行采集。在圖像采集完成后，圖像采集單元把采集到圖像信息傳送給計算機，由計算機進行圖像處理和計算。計算機將獲得的多幅不同亮度、不同曝光時間下的條紋圖像進行多圖像融合，獲得強反射表面完整的相移圖，再對相移圖進行解相、相展開和立體匹配，最后獲得強反射表面完整的三維形貌信息。

所述的高動態(tài)條紋投射器，采用數(shù)字投影技術和基于FPGA的高速DM?D控制電路，能夠實現(xiàn)最高達700Hz幀頻的高速投射。其間關系是FPGA作為主控端，一方面向DMD發(fā)送圖像數(shù)據(jù)以供投影，另一方面與之相協(xié)調地控制LED光源的工作狀態(tài)，并且同時生成觸發(fā)控制信號控制相機同步拍攝；它具有輸入輸出同步觸發(fā)模塊，能夠實現(xiàn)投射器和接收外圍設備的準確協(xié)同，保證接收設備對投射圖像的準確采集。照明部分采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和發(fā)光時間均可根據(jù)需要進行調制，大大拓展了投射器的亮度動態(tài)范圍。高動態(tài)條紋投射器通過兩路完全相同的同步觸發(fā)信號接口同圖像采集單元中的兩個高速網(wǎng)口相機相連，保證高動態(tài)條紋投射器高速投射圖像時，圖像采集單元能搞準確實時同步進行圖像的采集。

所述的圖像采集單元由兩臺具有外部同步觸發(fā)接口的高速網(wǎng)口相機組成，進行圖像的拍攝和傳輸。

其中，該計算機的型號是DELL的Optiplex系列980。