專利名稱：基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于快速實時的三維立體視覺檢測儀可以更快、更準(zhǔn)確、更自動地探測和定位未知區(qū)域和目標(biāo)的形貌及距離，使機器視覺系統(tǒng)具有更強的功能，因此在自動目標(biāo)識別、導(dǎo)引和定位方面，引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測、逆向工程以及航天器間的自主自動空間對接中。
立體視覺的突出優(yōu)點是對測量環(huán)境要求不高；只需標(biāo)定攝像機，所以具有較高的標(biāo)定精度。立體匹配是保證立體視覺精度的關(guān)鍵，而現(xiàn)有的匹配方法如外極線約束法則、順序約束性法則及空間區(qū)域類法則等依賴圖像的高對比度特征，但一般目標(biāo)都不具有這樣的特征，因此導(dǎo)致立體視覺的匹配精度較低，在很多應(yīng)用領(lǐng)域難以適用。
投影柵相位匹配則是一種新型的立體匹配方式，基于投影柵相位匹配的立體視覺檢測方法采用投射條紋結(jié)構(gòu)化被測表面，從而獲取立體匹配點，該方法可以得到比被動視覺方法更高的測量精度。
由于被測目標(biāo)的形貌各異，曲率變化范圍較大，因此用一種固定寬度的條紋投射被測表面時，要么分辨率不能滿足要求，要么在曲率變化大的區(qū)域出現(xiàn)相位跳變，使相位去包裹出現(xiàn)錯誤，在該區(qū)域無法找到立體匹配點，也就無法獲得相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)，因此無法解決被測目標(biāo)的高精度測量問題，所以投射條紋的寬度需要根據(jù)被測表面的曲率變化大小來確定。當(dāng)被測表面的曲率變化大時，需要投射寬條紋，防止相位跳變；當(dāng)被測表面的曲率變化小時，需要投射細(xì)條紋，提高系統(tǒng)分辨率；同時，由于這種條紋投射是單方向的，對光源強度的要求比加角反射鏡時要小。
目前的基于正弦條紋投射技術(shù)的立體視覺檢測方法有以下幾種(1)利用羅奇光柵離焦投影，(2)利用雙光柵形成莫爾條紋，(3)利用干涉儀形成干涉條紋，(4)利用投影儀投射數(shù)字條紋。在這幾種方法中，前三種可以獲得模擬的正弦條紋，但條紋相位及寬度的改變必須通過改變投射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)，要想實現(xiàn)精密的相位移動，必須附以復(fù)雜精密的機械運動裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，系統(tǒng)抗干擾能力差。第四種方法是利用商業(yè)產(chǎn)品如基于LCD或DLP的投影投射儀投射條紋。由于投射的條紋是計算機仿真圖像，因此可以通過程序精確獲得所要的相移和條紋寬度，滿足條紋自適應(yīng)投射的特點，但是由于這種投影儀投射的是數(shù)字相，所以解相精度受到影響，另外投影儀體積、重量大，不利于集成和在線測試的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，通過改變施加在條紋投射裝置上的信號頻率和相位，精確改變條紋的相位和寬度，增加空間應(yīng)用可靠性的基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)擴大了三維視覺目標(biāo)識別系統(tǒng)的適用范圍，自適應(yīng)性強，提高了系統(tǒng)識別準(zhǔn)確度，解決了具有復(fù)雜表面的工件檢測識別問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案之一基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特點在于包括基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于向被測物表面投射多幅正弦光柵，與計算機系統(tǒng)相接，通過計算機系統(tǒng)控制所投射正弦條紋的相位和頻率；基于視覺原理的雙目傳感器，位于基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置的兩端，通過雙目傳感器與被測物體表面形成三角測量的關(guān)系，獲取被測表面的調(diào)制相位圖像，經(jīng)由圖像采集卡送入計算機；五維掃描架，其上安裝有視覺傳感器和基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于帶動基于視覺原理的雙目視覺傳感器到達(dá)不同空間位置和以不同的姿態(tài)對被測物體進行拍攝測量，同時為五維掃描架的電機提供驅(qū)動電源；電氣部分，共輸入端與計算機系統(tǒng)輸出端相接，輸出接至五維掃描架，用于將計算機系統(tǒng)輸出的控制命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動控制信號，以驅(qū)動五維掃描架沿XYZ三個方向運動和沿水平面和垂直面轉(zhuǎn)動；圖像采集部分，將基于視覺原理的視覺傳感器拍攝的被測表面的相位圖像信號經(jīng)由圖像采集卡濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換處理后送入計算機系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)，作為整個檢測系統(tǒng)的控制中心，用于輸出控制信號到電氣系統(tǒng)從而控制五維掃描架移動、輸出控制信號控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置所投射的正弦條紋的相位和頻率、控制采集基于視覺原理的雙目傳感器獲取的相位圖像數(shù)據(jù)、對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行圖像處理得到帶有物體三維信息的相位圖。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案之二基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于包括下列部件基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于向被測物表面投射多幅正弦光柵，與計算機系統(tǒng)相接，通過計算機系統(tǒng)控制所投射正弦條紋的相位和頻率；基于視覺原理的單目傳感器，單目傳感器位于自適應(yīng)正弦條紋投射裝置的一側(cè)，與被測物體表面形成三角測量的關(guān)系，獲取被測表面的調(diào)制相位圖像，經(jīng)由圖像采集卡送入計算機；五維掃描架，其上安裝有單目傳感器和基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于帶動基于視覺原理的單目傳感器到達(dá)不同空間位置和以不同的姿態(tài)對被測物體進行拍攝測量，同時為五維掃描架的電機提供驅(qū)動電源；電氣部分，共輸入端與計算機系統(tǒng)輸出端相接，輸出接至五維掃描架，用于將計算機系統(tǒng)輸出的控制命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動控制信號，以驅(qū)動五維掃描架沿XYZ三個方向運動和沿水平面和垂直面轉(zhuǎn)動；圖像采集部分，將基于視覺原理的單目傳感器拍攝的被測表面的相位圖像信號經(jīng)由圖像采集卡濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換處理后送入計算機系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)，作為整個檢測系統(tǒng)的控制中心，用于輸出控制信號到電氣系統(tǒng)從而控制五維掃描架移動、輸出控制信號控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置所投射的正弦條紋的相位和頻率、采集相位圖像數(shù)據(jù)、對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行相位解相處理得到帶有物體三維信息的相位圖。
上述的基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置由聲光偏轉(zhuǎn)器、調(diào)制激光器、驅(qū)動信號電路和光學(xué)系統(tǒng)組成，驅(qū)動信號電路產(chǎn)生兩路信號，一路驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器，另一路用于驅(qū)動調(diào)制激光器，聲光偏轉(zhuǎn)器中產(chǎn)生應(yīng)力交變分布的柵格，當(dāng)調(diào)制激光束以一定的角度通過聲光偏轉(zhuǎn)器時，出射光束產(chǎn)生衍射，兩束衍射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡聚焦產(chǎn)生正弦干涉波紋。
上述的圖像處理部分包括圖像預(yù)處理、解相、全場相展開、相位立體匹配和三維形貌計算處理過程。
本發(fā)明的工作原理通過計算機系統(tǒng)輸出控制信號控制五維掃描架移動至被測物表面上，并通過計算機系統(tǒng)控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的正弦條紋投射裝置向被測物表面投射多幅正弦光柵，由視覺傳感器獲取一系列不同相位的圖像經(jīng)由圖像采集卡送至計算機系統(tǒng)中，然后計算機系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)處理部分進行圖像數(shù)據(jù)的解相及噪聲過濾等處理，最終得到帶有物體三維信息的相位圖。
由于本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明使用自適應(yīng)的條紋投射裝置，可以根據(jù)被測目標(biāo)表面的曲率變化情況，由計算機控制快速改變投射條紋的間距、相位和對比度，可擴大三維視覺目標(biāo)識別系統(tǒng)的適用范圍，自適應(yīng)性強。
(2)由于條紋相位移動無須復(fù)雜精密的機械運動裝置，因此結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，測量精度高，抗干擾能力強。
(3)采用雙目傳感器或單目傳感器和條紋投射裝置與被測物體表面形成三角測量的關(guān)系，可以從不同的視角進行拍攝，提高了系統(tǒng)識別準(zhǔn)確度。
(4)通過相位立體匹配可得到高密度的數(shù)據(jù)點云。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的技術(shù)解決方案之一的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的技術(shù)解決方案之二立體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明的基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5本發(fā)明的計算機系統(tǒng)的軟件流程圖；圖6為本發(fā)明的計算機系統(tǒng)中相位解算流程圖；圖7為本發(fā)明的三種空間正弦光柵灰度值確定相位示意圖；圖8本發(fā)明的餐盤模型的光柵相位圖；圖9本發(fā)明的精確的相位圖；圖10本發(fā)明中應(yīng)用逐行掃描法完全展開后的相位圖；圖11本發(fā)明的判斷相位象限的流程圖；圖12本發(fā)明的相位圖的背景識別示意圖；圖13為本發(fā)明中的餐盤三維表面點云圖；圖14為本發(fā)明中的雙目視覺傳感器三坐標(biāo)測量數(shù)學(xué)模型。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明由計算機系統(tǒng)1、五維掃描架2、基于聲光偏轉(zhuǎn)器的正弦條紋投射裝置3、電氣部分4、基于視覺原理的視覺傳感器5、圖像采集部分6組成，其中計算機系統(tǒng)1作為整個檢測的中心，輸出控制信號到電氣系統(tǒng)4從而控制五維掃描架2移動，同時輸出控制信號控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置3所投射的正弦條紋的相位和頻率，此外還采集基于視覺原理的視覺傳感器5獲取的相位圖像數(shù)據(jù)，對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行相位解相處理得到帶有物體三維信息的相位圖；五維掃描架2上安裝有視覺傳感器5和自適應(yīng)正弦條紋投射裝置3，視覺傳感器5位于自適應(yīng)正弦條紋投射裝置3的兩端，視覺傳感器5采用兩個CCD攝像機，即圖2中的左CCD和右CCD，同時被測物體7置于五維掃描架2上，移動五維掃描架2用于實現(xiàn)視覺傳感器5到達(dá)不同空間位置和以不同的姿態(tài)進行拍攝測量，五維掃描架2包括實現(xiàn)三維空間直線運動的絲杠和導(dǎo)軌，以及三臺步進電機，其中三臺步進電機分別控制視覺傳感器5沿正交的三個軸X，Y，Z方向上的運動，兩臺步進電機控制兩個旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，分別實現(xiàn)在水平面和垂直平面上的轉(zhuǎn)動，通過控制五臺步進電機，實現(xiàn)五個自由度的掃描架控制；電氣部分4連接五維掃描架2和計算機系統(tǒng)1之間，其作用是為五維掃描架2中的五臺步進電機提供電源，通過其內(nèi)的驅(qū)動器控制5臺步進電機的轉(zhuǎn)動，接收由計算機系統(tǒng)1中的數(shù)據(jù)采集和處理部分發(fā)出的對步進電機的控制脈沖信號，以及各導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺的限位開關(guān)信號，并輸出至五維掃描架2；圖像采集部分6為圖像采集卡，圖像采集卡為嘉恒中自公司生產(chǎn)的OK-M20。
如圖3所示，本發(fā)明的另一個技術(shù)解決方案為改變雙目傳感器為單目傳感器，單目傳感器、條紋投射裝置和被測工件表面形成三角測量關(guān)系，當(dāng)投射裝置3向被測物體7表面投射多幅正弦光柵時，由CCD攝像機獲取相位圖像，然后送入計算機系統(tǒng)1中進行圖像處理?；谌欠ㄔ磉M行測量，即攝像機與條紋投射裝置和被測物體7之間構(gòu)成一個三角形，已知攝像機與條紋投射裝置之間的位置關(guān)系，便可以測量攝像機視場范圍內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標(biāo)。在測量之前，必須對系統(tǒng)的相互位置關(guān)系及各個部件內(nèi)部的參數(shù)進行標(biāo)定。
如圖4所示，本發(fā)明的基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置3由聲光偏轉(zhuǎn)器31、調(diào)制激光器32、驅(qū)動信號電路33和光學(xué)系統(tǒng)34組成，驅(qū)動信號電路33產(chǎn)生兩路信號，一路驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器31，另一路用于驅(qū)動調(diào)制激光器32，聲光偏轉(zhuǎn)器31中產(chǎn)生應(yīng)力交變分布的柵格，當(dāng)調(diào)制激光束以一定的角度通過聲光偏轉(zhuǎn)器時，出射光束產(chǎn)生衍射，兩束衍射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)34中的平凸透鏡聚焦產(chǎn)生正弦干涉波紋，所產(chǎn)生的正弦干涉條紋的相位和間距分別由激光器調(diào)制信號與聲光驅(qū)動信號的相位差和聲光偏轉(zhuǎn)器兩個驅(qū)動信號間的頻差有關(guān)。當(dāng)激光光束進入聲光偏轉(zhuǎn)器31后，混頻信號將入射光束分成兩束，隨著前端驅(qū)動信號的增大，兩光束的夾角也變大，所得到的干涉條紋的周期變小，即使得條紋變細(xì)、間距變小。當(dāng)前端驅(qū)動信號減小，兩光束的夾角變小，所得到的條紋變粗、間距變大。調(diào)制激光器32的控制信號和聲光偏轉(zhuǎn)器31的控制信號之間存在相位差，使得兩光束在聲光偏轉(zhuǎn)器31中的傳播的時間不同，產(chǎn)生恒定的相位差，這樣就使經(jīng)透鏡匯聚后的兩光點產(chǎn)生恒定的相位差，干涉條紋的相位因此就可以通過改變控制信號的相位差來改變，可以實現(xiàn)驅(qū)動信號的自動控制，達(dá)到不移動任何部件而完成投射條紋的相位和間距變化。
上述的驅(qū)動信號電路33由DDS芯片電路產(chǎn)生兩路頻率同為fm可調(diào)節(jié)相位值和頻率值的正弦信號，其中一路信號與聲光偏轉(zhuǎn)器31中心頻率信號fc通過高速乘法器合成混頻信號fc+fm和fc-fm，用于驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器31，另外一路信號經(jīng)過倍頻后，通過高速比較器生成方波信號，用于驅(qū)動調(diào)制激光器32。調(diào)制激光器32采用TTL調(diào)制激光器，在產(chǎn)生干涉條紋的過程中，調(diào)制激光器32為整個系統(tǒng)提供了光源，用調(diào)制激光器32照射聲光偏轉(zhuǎn)器31后，可以將聲光偏轉(zhuǎn)器31中的超聲波投射到背景上，來產(chǎn)生干涉條紋。聲光偏轉(zhuǎn)器31將兩束光線用透鏡匯聚后便可產(chǎn)生間距、相位可調(diào)的干涉條紋，其中前端驅(qū)動信號決定條紋的間距，通過調(diào)整聲光偏轉(zhuǎn)器的兩路驅(qū)動信號的頻率差F，可以實現(xiàn)對條紋間距b的調(diào)節(jié)。
b=vsL2Ffm---(7)]]>式中vs為超聲在晶體中的速度；L為條紋出射距離。
通過調(diào)節(jié)驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動信號與激光器調(diào)制信號之間的相位差，可以實現(xiàn)對條紋的相移控制。
光學(xué)系統(tǒng)34包括架設(shè)實驗裝置的各種光學(xué)支架、轉(zhuǎn)臺，還包括條紋透鏡系統(tǒng)和激光器準(zhǔn)直透鏡。
如圖5所示，本發(fā)明的計算機系統(tǒng)1的軟件部分主要包括驅(qū)動五維掃描架2移動的控制、對基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置3投射正弦條紋的相位和頻率的控制和對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行相位解相處理的圖像數(shù)據(jù)處理部分。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)啟動時，首先檢測系統(tǒng)硬件保證系統(tǒng)的各個部分和系統(tǒng)都正常連接，且工作正常，并初始化系統(tǒng)各個部分的參數(shù)，保證各個子系統(tǒng)處于初始狀態(tài)；第二步，判斷圖像采集系統(tǒng)是否處于工件的正上方、工作距離是否滿足要求、且系統(tǒng)光軸與工件表面法線的夾角是否小于15度，否則，驅(qū)動控制五維掃描架2帶動采集系統(tǒng)到合適位置；第三步，判斷投射條紋的寬度和亮度是否合適，根據(jù)工件表面的反射率、傾斜角度和表面曲率等參數(shù)調(diào)節(jié)條紋寬度和亮度；第四步，順序改變投射條紋相位，采集被工件表面調(diào)制后的圖像；第五步，使用如圖6所示的圖像相位解算軟件流程計算出工件表面的三維坐標(biāo)值。
如圖6所示，本發(fā)明的圖像處理的流程包括圖像預(yù)處理、解算相位圖、解算精確相位圖、相位圖像的完全展開、判斷相位的象限、識別背景、相位立體匹配和三維形貌計算等步驟。
圖像預(yù)處理主要是對由傳感器采集得到的圖像進行濾波去噪處理，本發(fā)明采用通用濾波去噪算法。
圖像解相是對經(jīng)被測物體調(diào)制的光柵圖像進行相位解算，其算法原理如下當(dāng)光柵投射到被測物體7表面上時，在物體表面上產(chǎn)生畸變，形成變形光柵，將載波相位與被調(diào)制的相位寫成一項為I(x，y)＝γ(x，y){IDC+Imcos[Φ(x，y)]} (1)其中γ(x，y)為投射光柵區(qū)域的反射系數(shù)，IDC為光柵正弦條紋的直流分量，Imcos[Φ(x，y)]為光柵調(diào)制光強變化。
使用條紋相位φ為{φ＝0，φ＝π/2，φ＝π}的三種正弦投射光柵圖像，進行相位解算。相位Φ可以根據(jù)三幅相差π/2的CCD像點的灰度值I0，Iπ/2，Iπ來確定，公式如下I0＝γ(IDC+ImsinΦ)Iπ/2＝γ(IDC+ImcosΦ)(2)Iπ＝γ(IDC-ImsinΦ)
Φ=tan-1[I0-Iπ2Iπ/2-(I0+Iπ)]---(3)]]>如圖7所示，通過I0，Iπ來確定正弦條紋的直流分量，再根據(jù)公式(2)就可確定相位值。使用該方法得到的餐盤模型的相位圖如圖8所示。
為提高相位解算精度和系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，本發(fā)明采用粗細(xì)條紋結(jié)合的方法，將粗條紋易于相位展開和細(xì)條紋相位信息多的優(yōu)點充分結(jié)合在一起。粗條紋周期比較大，出現(xiàn)相位階躍的數(shù)量比較少，但很難得到滿意的相位解算精度；細(xì)條紋解算精度高，但容易出現(xiàn)相位卷跌，如果物體的形貌變化過大，細(xì)條紋容易產(chǎn)生整個周期的缺失，給相位展開帶來很多麻煩。采用粗細(xì)條紋結(jié)合的方法相互彌補，可有效避免單一條紋方法的缺陷。由公式(2)可得。每個像點的相位值為Φ=tan-1[I0-Iπ2Iπ/2-(I0+Iπ)]]]>對于該像點的相位對應(yīng)的條紋位置數(shù)可由下面公式確定N1=Φ2π≤1,(Φ≤2π,N1≤1)---(4)]]>當(dāng)采用不同粗細(xì)的條紋進行相位解算時，可以通過下面公式來確定精確的條紋位置數(shù)。
Ni=Φi2π+round(XNi-1-Φi2π)---(5)]]>式中X為粗條紋周期和細(xì)條紋周期的比值，round為取整運算符。公式(5)是一個相位的遞推公式，上一級條紋(粗條紋)確定相位值的整數(shù)部分，下一級條紋(細(xì)條紋)確定相位的小數(shù)部分，這樣可以有效避免細(xì)條紋的相位缺失。通過粗細(xì)兩種條紋，可以精確確定每個像點的相位值。本發(fā)明采用三種寬度的相位圖像，應(yīng)用遞推公式(5)，使相位圖像更加精確。結(jié)果如圖8所示，與粗條紋的相位圖像(圖8)相比，圖9得到的圖像已經(jīng)看不出盤子光影的影響，而且同時充分保留了細(xì)條紋的相位信息。
全場相展開的目的就是把各行展開時的基準(zhǔn)點都統(tǒng)一到一個點上。本發(fā)明采用逐行掃描的方法，首先對噪聲點進行過濾處理，然后判斷相位階躍點，在判斷過程中有可能會遇到一些噪聲，這些噪聲點很容易被誤認(rèn)為是相位階躍點，這樣就會給相位的全場展開帶來麻煩，因此本發(fā)明應(yīng)用連續(xù)檢測的方法來消除噪聲點對相位展開的影響。應(yīng)用逐行掃描法得到的全場展開后的相位圖如圖10所示。
由于公式(2)中Φ的取值范圍是-π/2～π/2，需要將它擴展到0～2π，這樣就需要對Φ所在的象限進行判斷。如圖11所示，I0，Iπ/2，Iπ為某像點的三個灰度值，由Φ的正負(fù)關(guān)系和這三個量的大小關(guān)系就可以判斷Φ所在的象限，從而確定將Φ在0～2π范圍內(nèi)展開。
在解算相位過程中，由于背景同樣可以反射投影光柵，因此很容易被連同圖像相位信息一同解算出來，給三維成像帶來很大麻煩。自動識別背景是三維成像中很重要的一項技術(shù)。
本發(fā)明采用的識別背景的方法是根據(jù)灰度值變化來完成的，一般來說，物體的表面和背景表面反射光線的能力是不同的，即公式(1)中反射系數(shù)γ(x，y)不同。識別背景具體方法如下假設(shè)I0Iπ/2Iπ為某像點的三個灰度值，如果|I0-Iπ/2|+|I0-Iπ|＞threshold (6)證明該像點是被測物體，否則該像點為背景。在應(yīng)用中，根據(jù)實際情況可以適當(dāng)設(shè)置閾值threshold對背景進行有效識別。識別背景的相位圖像和未識別背景的相位圖像如圖12所示，左圖是未識別背景的相位圖像，右圖為識別背景圖像后的相位圖像，并將背景設(shè)為同一個灰度值。
單目立體視覺系統(tǒng)是由單攝像機和條紋投射裝置與被測物體表面形成三角關(guān)系，系統(tǒng)在得到被測物體表面的相位圖像后，根據(jù)單攝像機和條紋投射裝置的相互位置關(guān)系、以及攝像機和條紋投射裝置的參數(shù)得到相位圖像和三維坐標(biāo)點的轉(zhuǎn)換系數(shù)，由這些轉(zhuǎn)換系數(shù)即可將相位圖像轉(zhuǎn)換為三維形貌表面點云。
相位立體匹配是基于雙目視覺原理的立體視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要是根據(jù)解相得到的左右傳感器的相位圖像，采用基于相位的投影柵相位法，進行左右兩幅圖像對應(yīng)點的匹配。
基于相位的匹配是以每個像素點的相位作為匹配的依據(jù)?？臻g某一點，由于它們被光柵調(diào)制的情況是一樣的，因此在左、右圖像中的相位值理論上說應(yīng)當(dāng)是相等的。當(dāng)投射橫向條紋于被測物表面時，物體上的每一點經(jīng)過計算都會得到該點的橫向相位值，但由于載波和被調(diào)制的原因，可能在某一條紋上的點的相位值是相同的。所以，需要再投射縱向條紋，物體上的每一點會得到該點的縱向相位值。這樣，物體上的每一點會有兩個相位值，就像直角坐標(biāo)系中的每一點會有x、y兩個方向的坐標(biāo)值一樣。假設(shè)左圖某點p的相位分布為(Φlu，Φlv)，則在右圖中逐點掃描，直到找到一點q(Φru，Φrv)，使得|Φlu-Φru|＜α，|Φrv-Φrv|＜β其中，α、β是設(shè)定的相位偏差閾值，說明點p和點q是一對匹配點。
依據(jù)此原理，可以進行公共區(qū)域內(nèi)的所有點的匹配。相位匹配的方法，不用尋找特征點，操作方便，運算量也不大，而且匹配的精度比較高，誤匹配率低。
根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定所得的兩個攝像機之間的相互位置關(guān)系以及攝像機系統(tǒng)本身的內(nèi)參數(shù)，將上述匹配點轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，得到物體三維形貌表面點云，如圖13所示為餐盤經(jīng)前述一系列數(shù)據(jù)處理后所得的三維表面點云。
如圖2和圖14所示，本發(fā)明的基于視覺原理的雙目傳感器3由左右兩個CCD攝像機構(gòu)成，當(dāng)投射裝置2向被測物體7表面投射多幅正弦光柵時，由兩個CCD攝像機獲取相位圖像，然后送入計算機系統(tǒng)1中進行圖像處理?；谝曈X原理的雙目傳感器6采用透視成像模型，基于三角法原理進行測量，即兩個攝像機的圖像平面和被測物體7之間構(gòu)成一個三角形，已知兩攝像機之間的位置關(guān)系，便可以測量兩攝像機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標(biāo)。在測量之前，必須對系統(tǒng)的相互位置關(guān)系及各個部件內(nèi)部的參數(shù)進行標(biāo)定。
傳感器測量坐標(biāo)系表示的空間點與兩攝像機像面點之間的對應(yīng)關(guān)系為
式中 為理想的計算機圖像坐標(biāo)； 為世界坐標(biāo)；P為3×4矩陣，成為投影矩陣，它表征了二維圖像坐標(biāo)與三維世界坐標(biāo)之間的基本關(guān)系。A是一個上三角矩陣，稱為攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣；R和T分別為世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和原點之間的平移變換矢量。
由于攝像機光學(xué)系統(tǒng)存在加工誤差和裝配誤差，考慮成像系統(tǒng)的徑向和切向畸變校正是對理想透視模型的一種擴展。徑向畸變引起實際圖像坐標(biāo)在圖像平面沿直徑方向位移，切向畸變由鏡頭的離心畸變引起。
徑向畸變可近似表示為δurδvr=Xu(k1r2+k2r4)Yu(k1r2+k2r4)---(8)]]>切向畸變可近似表示為δutδvt=2p1XuYu+p2(r2+2Xu2)p1(r2+2Yu2)+2p2XuYu---(9)]]>其中，Xu、Yu為原點在圖像主點的理想圖像坐標(biāo)，r2=Xu2+Yu2;]]>k2、k1、p1、p2為畸變系數(shù)。則實際的幀存坐標(biāo)(u，v)為uv=Xu+δur+δutYu+δvr+δvt+u0v0---(10)]]>非線性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)用解析表達(dá)式表示為F(x)=Σi=1N((Ui-ui)2+(Vi-vi)2)---(11)]]>其中(Ui，Vi)為根據(jù)攝像機的模型投影到圖像平面上的特征點的模型圖像坐標(biāo)；(ui，vi)為實際探測到的圖像坐標(biāo)。非線性優(yōu)化的過程就是使模型圖像坐標(biāo)與實際圖像坐標(biāo)之間的偏差達(dá)到最小，從而獲得偏差最小時的參數(shù)為攝像機參數(shù)的估計值。
將公式重寫為ρuivi1=a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34XiYiZi1---(12)]]>為了解出參數(shù)a11，...a34，將上式改寫為LA＝0 (13)式中0是一個2n×1的零矢量A＝[a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34]TL=X1Y1Z110000-X1u1-Y1u1-Z1u1-u10000X1Y1Z11-X1v1-Y1v1-Z1v1-v1MMMMMMMMMMMMXiYiZi10000-Xiui-Yiui-Ziui-ui0000XiYiZi1-Xivi-Yivi-Zivi-viMMMMMMMMMMMMXnYnZn10000-Xnun-Ynun-Znun-un0000XnYnZn1-Xnvn-Ynvn-Znvn-vn---(14)]]>方程的解，即計算A實際上是一個以下目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)化問題J＝ATLTLA (15)滿足約束||A||＝1，相應(yīng)的拉格朗日函數(shù)為1＝ATLTLA-λ(ATA-1)(16)微分為1/A＝2LTLA-2λA＝0，即(LTL)A＝λA (17)公式(17)表明矩陣LTL的特征矢量是A的解，矩陣LTL的特征值為λ＝ATLTLA。由矩陣奇異值的定義可知，矩陣LTL的特征矢量實際上是矩陣L的奇異矢量，因此通過對矩陣L進行奇異值分解，而不用計算LTL就可以解出A，從而增加數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。矩陣LTL的最小二乘特征矢量對應(yīng)于最小的特征值，即最小奇異值所對應(yīng)的奇異矢量。
求出投影矩陣A后，就可以計算出攝像機的全部參數(shù)。分解過程如下a1Ta14a2Ta24a3Ta34=fx0u000fyv000010r1Ttxr2Ttyr3Ttz0T1=fxr1T+u0r3Tfxtx+u0tzfyr2T+v0r3Tfyty+v0tzr3Ttz---(18)]]>式中aiT(i＝1～3)為求得的投影矩陣A的第i行前三個元素組成的行向量；ai4(i＝1～3)為矩陣A的第i行第四列元素；riT(i＝1～3)為旋轉(zhuǎn)矩陣R的第i行；tx，ty，tz為平移矢量的元素。由公式(18)和R的正交性可知r3＝p3r1＝(p1-u0p3)/fxu0=p1Tp3]]>r2＝(p2-v0p3)/fyv0=p2Tp3]]>tx＝p34(19)fx＝|p1×p3| ty＝(p14-u0)/fxfy＝|p2×p3| tz＝(p24-v0)/fy將公式(19)求出的攝像機參數(shù)作為攝像機參數(shù)的初值，并假定所有的畸變系數(shù)初值為0，用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法對公式表示的目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，就可以求出最優(yōu)的全部攝像機參數(shù)。
視覺重建過程就是利用標(biāo)定得到的模型參數(shù)和匹配過程得到的對應(yīng)2D圖像點坐標(biāo)來求解3D空間點，是透視成像的逆過程，是一種不確定性問題的求解，解的可靠性和精度受很多因素影響。標(biāo)定完攝像機的內(nèi)外部參數(shù)后，就建立好了圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，在已知某一空間點在兩個攝像機像平面上的坐標(biāo)后，就可以得到這一點的世界坐標(biāo)。具體過程如下已知左右兩個攝像機參數(shù)和對應(yīng)的圖像坐標(biāo)，可將公式(12)改寫為(a31uli-a11)Xi+(a32uli-a12)Yi+(a33uli-a13)Zi＝a14-a34uli(a31vli-a21)Xi+(a32vli-a22)Yi+(a33vli-a23)Zi＝a24-a34vli(20)(b31uri-b11)Xi+(b32uri-b12)Yi+(b33uri-b13)Zi＝b14-b34uri(b31Vri-b21)Xi+(b32vri-b22)Yi+(b33vri-b23)Zi＝b24-b34vri三個未知數(shù)，四個方程，用最小二乘法就可以求出該點的世界坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于包括下列部件基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于向被測物表面投射多幅正弦光柵，與計算機系統(tǒng)相接，通過計算機系統(tǒng)控制所投射正弦條紋的相位和頻率；基于視覺原理的雙目傳感器，位于基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置的兩端，通過雙目傳感器與被測物體表面形成三角測量的關(guān)系，獲取被測表面的調(diào)制相位圖像，經(jīng)由圖像采集卡送入計算機；五維掃描架，其上安裝有視覺傳感器和基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于帶動基于視覺原理的雙目視覺傳感器到達(dá)不同空間位置和以不同的姿態(tài)對被測物體進行拍攝測量，同時為五維掃描架的電機提供驅(qū)動電源；電氣部分，共輸入端與計算機系統(tǒng)輸出端相接，輸出接至五維掃描架，用于將計算機系統(tǒng)輸出的控制命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動控制信號，以驅(qū)動五維掃描架沿XYZ三個方向運動和沿水平面和垂直面轉(zhuǎn)動；圖像采集部分，將基于視覺原理的視覺傳感器拍攝的被測表面的相位圖像信號經(jīng)由圖像采集卡濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換處理后送入計算機系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)，作為整個檢測系統(tǒng)的控制中心，用于輸出控制信號到電氣系統(tǒng)從而控制五維掃描架移動、輸出控制信號控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置所投射的正弦條紋的相位和頻率、控制采集基于視覺原理的雙目傳感器獲取的相位圖像數(shù)據(jù)、對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行圖像處理得到帶有物體三維信息的相位圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置由聲光偏轉(zhuǎn)器、調(diào)制激光器、驅(qū)動信號電路和光學(xué)系統(tǒng)組成，驅(qū)動信號電路產(chǎn)生兩路信號，一路驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器，另一路用于驅(qū)動調(diào)制激光器，聲光偏轉(zhuǎn)器中產(chǎn)生應(yīng)力交變分布的柵格，當(dāng)調(diào)制激光束以一定的角度通過聲光偏轉(zhuǎn)器時，出射光束產(chǎn)生衍射，兩束衍射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡聚焦產(chǎn)生正弦干涉波紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像處理部分包括圖像預(yù)處理、解相、全場相展開、相位立體匹配和三維形貌計算處理過程。
4.基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于包括下列部件基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于向被測物表面投射多幅正弦光柵，與計算機系統(tǒng)相接，通過計算機系統(tǒng)控制所投射正弦條紋的相位和頻率；基于視覺原理的單目傳感器，單目傳感器位于自適應(yīng)正弦條紋投射裝置的一側(cè)，與被測物體表面形成三角測量的關(guān)系，獲取被測表面的調(diào)制相位圖像，經(jīng)由圖像采集卡送入計算機；五維掃描架，其上安裝有單目傳感器和基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置，用于帶動基于視覺原理的單目傳感器到達(dá)不同空間位置和以不同的姿態(tài)對被測物體進行拍攝測量，同時為五維掃描架的電機提供驅(qū)動電源；電氣部分，共輸入端與計算機系統(tǒng)輸出端相接，輸出接至五維掃描架，用于將計算機系統(tǒng)輸出的控制命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動控制信號，以驅(qū)動五維掃描架沿XYZ三個方向運動和沿水平面和垂直面轉(zhuǎn)動；圖像采集部分，將基于視覺原理的單目傳感器拍攝的被測表面的相位圖像信號經(jīng)由圖像采集卡濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換處理后送入計算機系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)，作為整個檢測系統(tǒng)的控制中心，用于輸出控制信號到電氣系統(tǒng)從而控制五維掃描架移動、輸出控制信號控制基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置所投射的正弦條紋的相位和頻率、采集相位圖像數(shù)據(jù)、對所采集的相位圖像數(shù)據(jù)進行相位解相處理得到帶有物體三維信息的相位圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的基于聲光偏轉(zhuǎn)器的自適應(yīng)正弦條紋投射裝置由聲光偏轉(zhuǎn)器、調(diào)制激光器、驅(qū)動信號電路和光學(xué)系統(tǒng)組成，驅(qū)動信號電路產(chǎn)生兩路信號，一路驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器，另一路用于驅(qū)動調(diào)制激光器，聲光偏轉(zhuǎn)器中產(chǎn)生應(yīng)力交變分布的柵格，當(dāng)調(diào)制激光束以一定的角度通過聲光偏轉(zhuǎn)器時，出射光束產(chǎn)生衍射，兩束衍射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡聚焦產(chǎn)生正弦干涉波紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像處理包括圖像預(yù)處理、解相、全場相展開和三維形貌計算處理過程。
全文摘要
基于自適應(yīng)正弦條紋投射的立體視覺檢測系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)、五維掃描架、基于聲光偏轉(zhuǎn)器的正弦條紋投射裝置、電氣部分、視覺傳感器、圖像采集部分組成，通過計算機系統(tǒng)輸出控制信號控制五維掃描架移動至被測物表面上，由基于聲光偏轉(zhuǎn)器的正弦條紋投射裝置向被測物表面投射多幅正弦光柵，由圖像傳感器獲取一系列不同相位的圖像送至圖像采集部分，再經(jīng)過計算機系統(tǒng)進行圖像處理，得到帶有物體三維信息的相位圖。本發(fā)明可快速改變投射條紋的間距、相位和對比度，適合于不同曲率的被測面的在線測量，自適應(yīng)能力強；同時測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，抗干擾能力強，可得到大量的數(shù)據(jù)點云，對擴大三維視覺目標(biāo)識別系統(tǒng)的適用范圍，提高系統(tǒng)識別準(zhǔn)確度具有現(xiàn)實意義。
文檔編號G01B11/00GK1758020SQ200510086928
公開日2006年4月12日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者趙慧潔, 吉相, 殷雪冰, 姜宏志, 屈玉福 申請人:北京航空航天大學(xué)