專利名稱：鏡面物體表面三維輪廓測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測技術(shù)，尤其涉及一種鏡面物體表面三維輪廓測量裝置和測量方法。
背景技術(shù)：
鏡面物體表面三維輪廓測量技術(shù)有重要的應(yīng)用價值。在工程中，大量零件的表面性質(zhì)為鏡面反射。例如拋光模具等精加工零部件；某些表面涂鍍零件，如噴涂后的汽車覆蓋件等；某些玻璃及塑料制品；印刷線路板焊點(diǎn)等。目前，對于該類零件的三維測量主要采用兩種方法。其一，采用坐標(biāo)測量機(jī)或三維測量手臂等接觸式測量設(shè)備，效率很低；其二，噴涂其表面，改變其性質(zhì)為漫反射后用光學(xué)方法進(jìn)行測量，最后再除去涂層。顯然，該方法嚴(yán)重削弱了光學(xué)方法的非接觸優(yōu)點(diǎn)。其它的非接觸測量方法包括被動式和主動式兩類。其中被動式方法包括“基于光度學(xué)的測量技術(shù)”和“從鏡面反射成分恢復(fù)面形技術(shù)”，這些技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，并且精度較低。主動測量主要是采用結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)。其中，點(diǎn)結(jié)構(gòu)光技術(shù)一般采用激光光源，通過電流計(jì)掃描部件精確控制出射光線的方向，對目標(biāo)物體進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，測量其梯度，測量效率很低。采用光帶掃描技術(shù)部分了提高測量的效率。面結(jié)構(gòu)光技術(shù)，根據(jù)面結(jié)構(gòu)光的編碼方式的不同又可分為圖案編碼和相位編碼兩類方法，后者一般稱為條紋投射技術(shù)。這種技術(shù)采用漫射結(jié)構(gòu)光源，將強(qiáng)度為正弦分布的結(jié)構(gòu)光投射到鏡面物體表面，通過條紋位相計(jì)算被測表面的梯度。這種方法可直接獲得全場信息，無需掃描裝置，效率很高。上述三種結(jié)構(gòu)光技術(shù)都只能測得被測面的梯度分布，必須通過數(shù)值積分方能得到被測面的高度信息，計(jì)算較為復(fù)雜，有較大的累積誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種通用的、非接觸的、以全場方式工作的鏡面物體表面三維輪廓測量裝置和測量方法，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，測量效率高，精度高。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種鏡面物體表面三維輪廓測量裝置，其特征在于由LCD平板顯示器、工業(yè)攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和導(dǎo)軌組成；所述的LCD平板顯示器被垂直安裝在導(dǎo)軌上，可以沿導(dǎo)軌平移至不同位置，并通過數(shù)據(jù)電纜與計(jì)算機(jī)相連接，顯示由計(jì)算機(jī)生成的正弦條紋圖案，并將這些條紋圖案投射在被測量的物體表面上；所述的工業(yè)攝像機(jī)通過視頻線與計(jì)算機(jī)相連接，工業(yè)攝像機(jī)拍攝被測量物體表面上的投射條紋圖像，并通過視頻線將條紋圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；所述的計(jì)算機(jī)將條紋圖像轉(zhuǎn)換成被測量物體表面輪廓。
一種鏡面物體表面三維輪廓測量方法，通過上述的鏡面物體表面三維輪廓測量裝置實(shí)施，其特征在于操作步驟如下第一步、測量裝置調(diào)整調(diào)整測量裝置，確定工業(yè)攝像機(jī)和LCD平板顯示器的參數(shù)，以及導(dǎo)軌的空間位置和方向；第二步、數(shù)據(jù)采集①使平板顯示器沿導(dǎo)軌移動到第一個位置，記錄該位置；在計(jì)算機(jī)中生成正弦條紋圖像，將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器上；用攝像機(jī)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)；②使平板顯示器沿導(dǎo)軌移動到第二個位置，記錄該位置；將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器上；用攝像機(jī)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)；第三步、數(shù)據(jù)處理根據(jù)測量系統(tǒng)的幾何參數(shù)和攝像機(jī)采集到的圖像信息由計(jì)算機(jī)計(jì)算被測量表面的三維輪廓。
上述鏡面物體表面三維輪廓測量方法中，第三步中所述的數(shù)據(jù)處理方法為①對平板顯示器在兩個不同位置時由攝像機(jī)采集到的條紋圖像進(jìn)行處理，計(jì)算條紋圖像的位相分布；②根據(jù)圖像的像素坐標(biāo)和攝像機(jī)參數(shù)確定被測表面的出射光線的方程；③根據(jù)像素對應(yīng)的兩個位相值和平板顯示器參數(shù)確定被測表面的入射光線的方程；④計(jì)算出射光線和入射光線交點(diǎn)的坐標(biāo)，這些坐標(biāo)就是被測表面點(diǎn)的坐標(biāo)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)1、整個測量系統(tǒng)主要由LCD平板顯示器、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和導(dǎo)軌組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，無需傳統(tǒng)測量技術(shù)中的各類接觸式測頭，降低了測量成本，提高了測量效率。
2、采用可移動平板結(jié)構(gòu)光源(平板顯示器)替代原有技術(shù)中的固定光源，可獲得多組物面位相分布，從而實(shí)現(xiàn)入射光線方向的直接追蹤。原理簡單，物面點(diǎn)的空間坐標(biāo)可以直接計(jì)算獲得，避免了原有方法中存在的復(fù)雜的數(shù)值積分過程，同時也避免了累積誤差，測量精度高。


圖1是本發(fā)明鏡面物體表面三維輪廓測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明鏡面物體表面三維輪廓測量方法的原理圖；圖3是本發(fā)明的一實(shí)施例中的被測量凹面鏡照片圖；圖4是本發(fā)明的一實(shí)施例中，根據(jù)測量結(jié)果繪出的等高圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)例結(jié)合附圖詳述如下參見圖1，本鏡面物體表面三維輪廓測量裝置由LCD平板顯示器(1)、工業(yè)攝像機(jī)(2)、計(jì)算機(jī)(3)和導(dǎo)軌(4)組成。LCD平板顯示器(1)被固定在導(dǎo)軌(4)上并通過數(shù)據(jù)電纜(5)與計(jì)算機(jī)相(3)連接，可以顯示由計(jì)算機(jī)(3)生成的正弦條紋圖案，并將這些條紋圖案投射在被測量的物體表面上。工業(yè)攝像機(jī)(2)通過視頻線(6)與計(jì)算機(jī)(3)相連接，可拍攝被測量物體表面上的投射條紋圖像，并通過視頻線(6)將條紋圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(3)。LCD平板顯示器(1)被垂直安裝在導(dǎo)軌(4)上，可以沿導(dǎo)軌(4)平移至不同位置。計(jì)算機(jī)內(nèi)(3)設(shè)有將條紋圖像轉(zhuǎn)換成被測量物體表面輪廓的軟件。
本鏡面物體表面三維輪廓測量方法的測量原理如圖2所示。點(diǎn)C是攝像機(jī)的入瞳中心。攝像機(jī)光軸與空間一個平面即參考面R相交于點(diǎn)O。以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其中X軸與圖面平行，Z軸與圖面垂直，Y軸與攝像機(jī)光軸重合。LCD平板顯示器在導(dǎo)軌驅(qū)動下可沿著直線OQ運(yùn)動。OQ垂直于LCD平板顯示器表面。LCD平板顯示器在運(yùn)動前后，其表面分別位于OAA和OBB。直線OQ過LCD中心OA，OB。對于攝像機(jī)每一像素(i，j)，其接收的物面反射光線為直線CR。入射光線可通過LCD在不同位置時獲取的相位信息來確定。LCD在兩個位置OAA，OBB兩個位置時，點(diǎn)(i，j)處條紋圖像分別來自點(diǎn)A和B，其相位分別為φA和φB。通過φA和φB，可計(jì)算A與B的位置坐標(biāo)。直線AB就是CR所對應(yīng)的物面入射光線。其交點(diǎn)坐標(biāo)即為物面點(diǎn)坐標(biāo)。如此，遍歷圖像上的每一個像素點(diǎn)，就可以重建攝像機(jī)視野內(nèi)的三維面形。
本鏡面物體表面三維輪廓測量方法的測量過程包括第一步、調(diào)整測量裝置確定工業(yè)攝像機(jī)和LCD平板顯示器的參數(shù)，以及導(dǎo)軌的空間位置和方向。第二步、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集①使平板顯示器沿導(dǎo)軌移動到第一個位置，記錄該位置；在計(jì)算機(jī)中生成正弦條紋圖像，將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器上；用攝像機(jī)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)；②使平板顯示器沿導(dǎo)軌移動到第二個位置，記錄該位置；將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器上；用攝像機(jī)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)。第三步、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理根據(jù)測量系統(tǒng)的幾何參數(shù)和攝像機(jī)采集到的圖像信息由計(jì)算機(jī)計(jì)算被測量表面的三維輪廓。首先，利用下列公式計(jì)算平板顯示器在兩個不同位置時由攝像機(jī)采集到的條紋圖像的位相分布。
φ(i,j)=-tan-1[Σi=0N-1IksinαkΣk=0N-1Ikcosαk]]]>式中(i，j)是像素的坐標(biāo)。Ik是圖像的灰度值。αk＝2kπ/N(k＝0，1，ΛN-1)是相移量，由計(jì)算機(jī)控制。然后利用下列公式計(jì)算被測表面點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y，z)。
x=xR[h(L1-L2)sinθ+K(hcosθ-L1)φB+K(L2-hcosθ)φA(xRcosθ-hsinθ)(L2-L1)+K(φB-φA)(xRsinθ+hcosθ)]]]>y=h[K(xRsinθ+L1)·φB-K(xRsinθ+L2)·φA+xR(L2-L1)·cosθ(xRcosθ-hsinθ)(L2-L1)+K(φB-φA)(xRsinθ+hcosθ)]]]>z=zR[h(L1-L2)sinθ+K(hcosθ-L1)φB+K(L2-hcosθ)φA(xRcosθ-hsinθ)(L2-L1)+K(φB-φA)(xRsinθ+hcosθ)]]]>式中，h是攝像機(jī)入瞳中心到參考面的距離。θ是直線OQ與Y軸的夾角。L1和L2分別是LCD顯示器沿著直線OQ平移到兩個投射位置時，中心OA和OB與原點(diǎn)之間的距離。K＝P/(2π)是相位轉(zhuǎn)換系數(shù)(P是投射條紋的節(jié)距)。xR＝Si，yR＝Sj(S是攝像機(jī)放大因子)。這些參數(shù)均已在測量裝置調(diào)整時被確定。
以下通過一個具體實(shí)例對本發(fā)明鏡面物體表面三維輪廓測量裝置和測量方法的測量原理和測量過程作進(jìn)一步說明圖3是一個被測凹面鏡，其直徑為113mm。調(diào)整測量裝置，使其滿足R＝0.3884mm/pixel，h＝771.2766mm。在L＝178mm和228mm兩個位置投射兩組條紋正弦條紋。求解位相，再計(jì)算被測物面點(diǎn)的坐標(biāo)。圖4是根據(jù)測量結(jié)果畫出的等高圖。
權(quán)利要求
1.一種鏡面物體表面三維輪廓測量裝置，其特征在于由LCD平板顯示器(1)、工業(yè)攝像機(jī)(2)、計(jì)算機(jī)(3)和導(dǎo)軌(4)組成；所述的LCD平板顯示器(1)被垂直安裝在導(dǎo)軌(4)上，可以沿導(dǎo)軌(4)平移至不同位置，并通過數(shù)據(jù)電纜(5)與計(jì)算機(jī)相(3)連接，顯示由計(jì)算機(jī)(3)生成的正弦條紋圖案，并將這些條紋圖案投射在被測量的物體表面上；所述的工業(yè)攝像機(jī)(2)通過視頻線(6)與計(jì)算機(jī)(3)相連接，工業(yè)攝像機(jī)(2)拍攝被測量物體表面上的投射條紋圖像，并通過視頻線(6)將條紋圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(3)；所述的計(jì)算機(jī)(3)將條紋圖像轉(zhuǎn)換成被測量物體表面輪廓。
2.一種鏡面物體表面三維輪廓測量方法，通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏡面物體表面三維輪廓測量裝置實(shí)施，其特征在于操作步驟如下第一步、測量裝置調(diào)整調(diào)整測量裝置的幾何參數(shù)，這些參數(shù)包括工業(yè)攝像機(jī)(2)和導(dǎo)軌(4)的空間位置和方向；第二步、數(shù)據(jù)采集①使平板顯示器(1)沿導(dǎo)軌移動到第一個位置，記錄該位置；在計(jì)算機(jī)(3)中生成正弦條紋圖像，將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器(1)上；用攝像機(jī)(2)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)(3)；②使平板顯示器(1)沿導(dǎo)軌(4)移動到第二個位置，記錄該位置；將這些正弦條紋圖像顯示在平板顯示器(1)上；用攝像機(jī)(2)拍攝正弦條紋圖像被被測物體表面所成的虛像，并輸入計(jì)算機(jī)(3)；第三步、數(shù)據(jù)處理根據(jù)測量系統(tǒng)的幾何參數(shù)和攝像機(jī)(2)采集到的圖像信息，由計(jì)算機(jī)計(jì)算被測量表面的三維輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鏡面物體表面三維輪廓測量方法，其特征在于所述的第三步中所述的數(shù)據(jù)處理方法為①對平板顯示器(1)在兩個不同位置時由攝像機(jī)(2)采集到的條紋圖像進(jìn)行處理，計(jì)算條紋圖像的位相分布；②根據(jù)圖像的像素坐標(biāo)和攝像機(jī)(2)參數(shù)確定被測表面的出射光線的方程；③根據(jù)像素對應(yīng)的兩個位相值和平板顯示器(1)參數(shù)確定被測表面的入射光線的方程；④計(jì)算出射光線和入射光線交點(diǎn)的坐標(biāo)，這些坐標(biāo)就是被測表面點(diǎn)的坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鏡面物體表面三維輪廓測量裝置和方法，其測量裝置由LCD平板顯示器、工業(yè)攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和導(dǎo)軌組成，LCD平板顯示器被固定在導(dǎo)軌上并通過電纜與計(jì)算機(jī)相連接，工業(yè)攝像機(jī)通過視頻線與計(jì)算機(jī)相連接。測量方法包括測量裝置調(diào)整、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等步驟。本發(fā)明的鏡面物體表面三維輪廓測量裝置組成簡單，測量方法操作方便，數(shù)據(jù)處理的計(jì)算復(fù)雜性較低。
文檔編號G01B21/20GK1945204SQ20061011731
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者郭紅衛(wèi), 陳明儀, 章亞男, 陶濤, 楊琦, 趙展 申請人:上海大學(xué)