（光学专业论文）激光打标质量的机器视觉分析.pdf

摘要 随着激光打标工艺的日趋成熟，对打标在线检测的需求日益增加。激光三角可用 于检测打标深度、宽度等信息。激光三角测量法是以传统的三角测量为基础的一种光 学三维面型测量技术，由于其具有非接触、无损伤、速度快、精度高以及智能化等特 点，己经在工业检测、机器视觉等领域获得广泛应用。 本论文对激光打标质量的b i v ( b u l i ti nv i s i o n ) 检测系统所涉及的激光三角测量 技术进行深入研究，研究了如何消除散斑的影响，并提出一种求激光漫反射光强中心 的新算法，目的是提高检测系统的性能和检测精度。本文研究的主要内容和创新性结 果如下： 1 通过激光三角法得出打标深度的普遍公式，对c c d 面阵与透镜光轴所成角度的不 同，得出简化公式，寻求最佳的匹配条件。 2 对影响打标检测系统精度的因素进行分析，提出针对上述问题的一些可以提高测 量系统精度的办法。 3 求打标深度的关键是求激光漫反射光强中心线的位置，求解精度直接关系到测 量精度。实际漫反射光强并非理想的正态分布，且采样信号还有其它一些散乱光点干 扰。常用的算法并没有考虑这些，因此这些算法的精度也不理想。提出一种新的算法， 这种算法使离中心点较近的激光光强的权重大。 关键词：激光打标机器视觉激光三角法 激光散斑新算法 a b s t r a ( 了 a st h em a t u r i t ya n dw i d ea p p l i c a t i o n so fl a s e rm a r k i n gt e c h n o l o g y ，d e m a n d so fl a s e r m a r k i n gq u a l i t yo n l i n ed e t e c t i o na r ei n c r e a s i n g t , a s e lt r i a n g u l a t i o nm e t h o dc a l lb eo b t a i n d e p t h ，w i d t h ，a n do t h e ri n f o r m a t i o n l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o di sb a s e do nt h et r a d i t i o n a l t r i a n g u l a t i o nt oa c q u i r et h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c ei n f o r m a t i o n 。b e c a u s eo fi t sn o n c o n t a c t ， n o n d e s t r u c t i v e ，h i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c y ，a sw e l la s , i n t e l l e c t u a l i z a t i o n , l a s e r t r i a n g u l a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a li n s p e c t i o n , m a c h i n ev i s i o n i nt h i st h e s i s ，l a s e rt r i a n g u l a t i o ni n v o l v e di nt h eb i v ( b u i l ti nv i s i o n ) s y s t e mu s e di n t h el a s e rm a r k i n gq u a l i t yd e t e c t i o nt oe x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d t h em e t h o d so fe l e m i o a t i n g l a s e rs p e c k l ea l es u g g e s t e da n dan e wm e a s u r ea r i t h c m c t i cf o rt h ec o m p u t i n go fd i f f u s e r e f l e c t a n c et op r o p o s e dw h i c hc a ni m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c y t h em a i nr e s e a r c ha n d i n n o v a t i o n sa t ea sf o l l o w ： l ag e n e r a lf o r m u l af o rm a r k i n gd e p t hi se a l a b l i s h e dw i t hl a s e rt r i a n g u l a t i o n , f o r d i f f e r e n ta n o eb e t w e e nt h ec c d a r r a ya n do p t i c a la x i s ，as i m p l i f i e df o r m u l a i so b t a i n e d ，t h e m a x m i a l m a t c hc o n d i t i o ni sa l s oo b r a i n e d 2 v a r i o u sf a c t o r sa f f e a i n gt h ed e t e c t i o na c c u r a c ya r ea n a l y s e da n dc o r r e s p o n d i n g m e a s u r e sf o rt h ei m p r o v e m e n to fa c c u r a c ya r es u g g e s t e d 3 t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec e n t e rl i n eo ft h ei n t e - s i t yo fd i f f u s er e f l e c t a n c ei st h ek e yt o f i n dt h ec l o s l yd e p t ho fm a r k i n g t h ea c c u r a c yo fc e n t e rl i n ei sc o r r e l a t e dw i t ht h ed e t e c t i o n a c c u r a c y t h er e a li n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fd i f f u s er e f l e z g a n c ei sn o tn o r m a ld i s t r i b u t i o na n d t h e r ea r eo t h e rs c a t t e rl i g h ti n t e r f e r i n gt h es a m p l i n gs i g n a lt r a d i t i o n a lm e t h o d sf a i lt op u t t h e r ef a c t o r si n t oa c c o u n t ，t h ed e t e c t i o na c c u r a c yi sn o th i g he n o u g h an e wa r i t h m e t i ci s p r o p o s e dt om a k et h ep o i n tn e a r e rt h ec e n t e rw i t hg r e a t e rw e i g h t k e y w o r d s ：l a s e rm a r k i n g m a c h i n ev i s i o nk * l s e rt r i a n g u l a t i o n , t q e rs p e c k l e n e wn r i t h e m e t i c 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，激光打标质量的机器视觉分析 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：! 篁立盘! 堡年三月翌日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 篁兰垦! 煎年三月堕日 指导导师签名：堑查兰竺鳖土月坐日 第一章绪论 1 1 激光打标简介 1 1 1 激光打标的原理及特点 激光打标就是在各种不同的物质表面，用激光打上永久的标记。打标效应通过表 层物质的蒸发，露出深层物质，或通过光辐射导致表层物质的化学变化产生【1 】。激光 代表技术比传统打标技术具有更多的优点： ( 1 ) 激光打标不受工件材料和形状的限制。激光不仅可以对任何材料打标，而且 可以对一些用其他方法不能或是难以打标的部位打上标记。对不同材料选取与其相适 应的激光波长、功率和打标机理即可以优质高效地在工件上永久性标记； ( 2 ) 激光打标是一种无接触打标工艺方法，在打标过程中既不影响工件的运动状 态，又不存在打标工具的磨损问题； ( 3 ) 激光打标质量高，速度快，灵活性强，易于自动化、集成化； ( 4 ) 不污染环境。 1 1 2 激光打标系统的种类 激光打标有两种基本方法，掩模式打标和光束折射打标。两种方法都利用了激光 器产生的高能量的优点，也都采用了光学技术来提高光束的功率密度至足够的水平， 以使之能侵蚀要标刻的材料的表面。 1 掩模打标系统通过专用的模子或模子系列对激光束成像，其中包括要打标的信 息，然后再将掩模成像在工件上( 如图1 1 所示) 。使用商品化的脉冲气体激光器可以 在多种材料的表面进行掩模打标，每秒钟可打二十五个标记。典型的掩模打标系统采 用脉冲c o ：激光器，它在工作上产生每平方厘米5 m w 的功率。打标深度一般小于 2 5 n n 。 2 光束折射打标系统使用小型或微型计算机控制激光束的折射，采用预先编程的 方法产生字符或图样( 如图1 2 所示) 。计算机也可按正在打标的信息的需求而打开和 关闭激光。典型的光束折线打标系统使用连续泵浦的调q 舭f ：y a g 激光器，它在工件 上可产生高于每平方厘米i o o m w 的功率，标刻深度约为2 5 舰到1 0 0 删。 图1 1 掩模示意图 焦透镜 工件 图1 2 光束折线示意图 与气体激光器相比， w ：y a g 激光器有以下优点： ( 1 ) 结构简单，维修方便； ( 2 ) 激光器稳定可靠； ( 3 ) 体积小、重量轻，便于工业生产； ( 4 ) 工作波长可以从红外到紫外变化，工作频率也可以从脉冲到连续变化。 1 2 机器视觉简介 随着科学技术的不断进步，研究利用计算机等现代化手段来实现视觉功能，以增 强对三维世界的理解，由此形成了一门崭新的学科计算机视觉( c o m p u t e r v i s i o n ) ，又 称机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) l ”。 在机器视觉理论基础上发展起来的视觉检测技术具有非接触、速度快、精度适中、 可实现在线等优点，目前已广泛应用于工业产品的在线检测中。典型的机器视觉检测 系统一般包括如下部分：光源，镜头，c c d 照相机，图像处理单元( 或图像捕获卡) ， 图像处理软件，监视器，通讯，输入输出单元等。 1 2 1 机器视觉历史及发展现状 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域。机器视觉的研究可以追溯到 五十年代，起始于以字符识别。医用显微镜图像分析以及遥感，军用侦查为背景的图 像处理和图像分析研究。视觉系统用于工业的研究始于六十年代中期，美国的m r r 、 s t a n f o r d 相续建立了人工智能实验室，开展积木世界景物分析。六十年代后期日本也开 始了这方面的研究。七十年代初，机器视觉开始应用于工业。七十年代后期，随着l s i 技术的发展，存储器、运算器单元的性价比大大提高，用它们制成的视觉系统也多了 起来。八十年代视觉研究进入了一个大繁荣时期，不仅在视觉处理各功能模块的计算 理论、算法与表达方面取得了很大的进展，而且美日欧等工业发达国家相续出现了视 觉公司，开发了很多用于机器人或其他工业应用的视觉系统，取得了一些应用方面的 成果。现在，机器视觉仍然是一个十分活跃的研究领域，与之相关的学科涉及：图像 处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、人工神经元等。 2 美国是机器视觉的诞生地，早在1 9 6 2 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起 号称“机器人- e 国”的日本起步至少要早五六年。经过3 0 多年的发展，美国现已成为 世界上的机器视觉强国之一，基础雄厚，技术先进。由于美国政府从6 0 年代到7 0 年 代中的十几年间，并没有把机器视觉列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司 开展了一些研究工作。7 0 年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上 仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人 的开发上。8 0 年代中后期，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人。 前苏联( 主要是在俄罗斯) ，从理论和实践上探讨机器视觉技术是从5 0 年代后半 期开始的。到了5 0 年代后期开始了机器人样机的研究工作。1 9 6 8 年成功地试制出一台 深水作业机器人。1 9 7 1 年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划 ( 1 9 7 0 年- - 1 9 7 5 年) 开始时，就把发展机器视觉列入国家科学技术发展纲领之中。到 1 9 7 5 年，已研制出3 0 个型号的1 2 0 台机器人，前苏联的机器人在数量、质量水平上均 处于世界前列。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，安 排机器视觉的研究制造；有关机器人视觉的研究生产、应用、推广和提高工作，都由 政府安排，有计划、按步骤地进行。 机器视觉技术产生于2 0 世纪6 0 年代初，虽然只有短短几十年时间，但发展十分 迅速。我国机器视觉产品技术与国外相比，起步较晚，普及程度总体上偏低。大体分 三个历史时期：1 9 9 0 年以前，仅仅在大学和研究所中有一些研究图像处理和模式识别 的实验室。9 0 年代初，一些来自这些研究机构的工程师成立了他们自己的视觉公司， 开发了第一代图像处理样机，他们的产品主要用在大学的实验室，真正的机器视觉系 统市场销售额微乎其微。主要原因是由于当时市场需求不大，工业界的很多工程师对 机器视觉没有概念，另外很多企业也没有认识到质量控制的重要性，这种状况一直持 续到1 9 9 8 年。所以1 9 9 0 1 9 9 8 年为我国机器视觉的初级阶段，这期间主要的国际机 器视觉厂商还没有进入中国市场。1 9 9 8 年以后，越来越多的电子和半导体工厂，包括 香港和台湾投资的工厂，落户广东和上海。带有机器视觉的整套生产线和高级设备被 引入中国。随着这股潮流，一些制造商开始希望发展自己的视觉检测设备，这是真正 的机器视觉市场需求的开始。一些自动化公司抓住这个机遇，开始做国际机器视觉供 应商的代理商和系统集成商。他们从美国和日本引入最先进的成熟产品，给终端用户 提供专业培训咨询服务，有时也和他们的商业伙伴一起开发整套的视觉检测设备。经 过长期市场开拓和培育，不仅仅是半导体和电子行业，而且在汽车、食品、饮料、包 装等行业中，一些顶级厂商开始认识到机器视觉对提升产品品质的重要作用。所以 1 9 9 8 2 0 0 2 年是机器视觉概念引入期。第三阶段从2 0 0 2 年至今，为机器视觉发展期， 主要表现在：在各个行业中，越来越多的客户开始寻求视觉检测方案，一些客户甚至 建立了自己的视觉部门：越来越多的本地公司开始在他们的业务中引入机器视觉，一 些是普通工控产品代理商，一些是自动化系统集成商，一些是新的视觉公司。 中国机器视觉研究只有十多年的历史，而真正的发展应用不过是近几年的事情， 3 到今天这个领域依然活跃的公司和研究机构大约只有几十家，另外大约1 0 个跨国公司 在国内开展业务。在很多行业机器视觉的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面 的应用。虽然国内目前还没有这方面的j ；体统计，但国内的制造技术终归要和国际接 轨，所以对机器视觉的市场需求肯定会e 盛起来。至于应用高潮的来临，专家认为需 要5 年左右的时间，也就是说，中国将在2 0 1 0 年以前迎来机器视觉应用的高潮 3 1 1 3 三维检测技术 三维检测技术已经在科学技术和工业生产中得到了广泛应用，许多领域越来越多 地提出了对三维尺寸和形状参数测量的要求。该检测技术按照测量方式的不同分为： 接触式测量和非接触式测量。 1 接触式测量是由传统的探针式测量发展而来的。目前，三坐标测量机是该方法 发展的成功典范和主要的使用工具。三坐标测量机是近几十年来发展起来的一种多功 能的测量仪器，是一种高精度、综合性很强的几何量测量设备。它以精密机械为基础， 综合应用了精密仪器设计、电子技术、计算机技术、软件应用技术和传感技术等高技 术成果，能对三维复杂工件的尺寸、形状及其相对位置进行高精度测量。 2 非接触测量是利用光学方法对材料进行测量。具有测量时间短、响应快、分辨 率高等特点。随着各种高性能器件如半导体激光器( l d ) 、电荷耦合器件( c c d ) 、c o m s 图像传感器、位置敏感器件( p s d ) 等的出现，非接触测量技术已经得到了广泛应用。非 接触测量分为主动视觉( a c t i v ev i s i o n ) 检测和被动视觉( p a s s i v ev i s i o n ) 检测两大类。 主动视觉是采用结构光照明，通过结构光在被测物体上的精确定位来获取三维坐标； 被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像面上的相关匹配关系，来 获得空间点的被测信息。 非接触测量主要分为以下八种方法： 1 干涉测量法 干涉测量法是利用光的干涉原理对物体进行测量的，它的基本思想是通过改变与 被测物体形状光学位相相关的灵敏度矩阵形成干涉条纹。随着激光技术的发展，出现了 双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息等多种方法。传统的干涉测量法的特点是 测量精度高，达到删级，但测量尺寸范围小，对环境要求苛刻。而近期的研究表明双频 外差干涉测量在1 0 0 m 范围内可以获得o 1 聊l 的分辨率【1 ，并出现了受机械干扰很小 的s h e r o g r a p h y 法和锥光镜全息法。 2 飞行时间法 飞行时间法的原理是基于测量激光或其它光源脉冲光束的飞行时间进行点位测 量。在测量过程中，物体脉冲经反射回到接收传感器，参考脉冲穿过光纤也被传感器接 收，这样会产生时间差，就可以把两脉冲时间差换算成距离。飞行时间法通常的分辨率 在1 栅左右，采用由二极管激光器发出的亚毫秒脉冲和高分辨率设备，可以获得亚毫米 级的分辨率。当采用与时间相关的单光子计算方法，在1 册远测量深度重复性优于 4 3 0 卢m 。综合利用数字重现技术和l i t t r o w | 5 l 装置，其深度分辨率可以达到6 5 册。 3 激光扫描法( 激光三角法) 该方法采用了光学著名的三角关系，其典型的测量范围是5 l ，l 到2 5 0 嗍，相 对测量精度是1 ：1 0 0 0 0 测量频率为4 0 k h z 或者更高。用电荷耦合器件( c c d ) 或者位置敏 感器件( p s d ) 进行数字点激光图像采集。由于基于敏感元件的c c d 避免了聚束点反射和 散射光，并且单个像素的分辨率高，所以采用c c d 可以得到更高的测量精度。影响测量 精度的另一个因素是被测物体的表面特征与定标面的差异。一般来说，为了保证较高 的测量精度，定标应该在与被测物体表面相似的表面上进行。最近研究表明共焦技术 可以允许表面颜色和透明度的变化以及无定标的不规律性。 4 摩尔条纹测量法 摩尔条纹法是将光栅投影到被测物体上，然后在观察侧用第二个光栅观察物体表 面的变形光栅像，这样就得到摩尔条纹。分析摩尔条纹便可得到物体高度信息，该法的 特点是适合于测量较大的物体。扫描摩尔法是用电子扫描光栅和变形像叠加生成摩尔 等高线，它的优点是利用现代电子技术，可以方便地改变扫描光栅栅距、位相等，生成不 同位相的摩尔等高线条纹图像，便于实现计算机自动处理，但缺点是需要扫描机构，数 据获取速度低，稳定性差，对噪声敏感【6 】。 5 激光散斑截面图样测量法 该方法把光波频域和空间域之间的三维傅立叶变换关系应用于测量物体的三维轮 廓【7 1 。激光雷达三维成像。也称为散斑图形采样法，是利用探测平面光场对应于物体三 维傅立叶变换的二维限波原理，通过改变激光的波长获得物体三维傅立叶变换的另外 两个二维限波。 6 摄影测量法 典型的摄影测量法采用立体视觉技术测量物体的三维形状，摄影测量法主要用于 特征型三维尺寸测量，它通常必须做一些明亮的标记，如在被测物体的表面上贴一些反 射点。一般各种模型都是在传统的针孔模型基础上扩展发展起来的，复杂的高精度的计 算还要求考虑透镜的畸变嗍。模型建立起来后，要实现物体的三维测量，就必须知道传 感器的内部参数( 摄像机的参数) 和外部参数( 两摄像机的位置关系及传感器坐标系与 检测系统的整体坐标系的关系) 。一般来说，摄影测量法的精度较低，且被测物的形状比 较简单。 7 跟踪式激光干涉测量法 跟踪式激光干涉测量系统采用干涉仪来测量距离，用两个高精度角度编码器确定 竖直和水平角度，它是扫描系统，通常用于追踪光学传感器或者机器人的位置。由美国 国家标准局研制并在自动化精密股份有限公司改进的跟踪式激光干涉测量系统 s m a r t 3 1 0 可达到i 肼长度分辨率和0 7 弧秒的角度分辨率。莱卡l t d 5 0 0 系统进行绝对距 离测量时，可以获得大约5 0 埘l 的精度，在直径为3 5 m 的测量范围内，角度编码器的 允许相对精度为l ：2 0 0 0 0 0 。 8 结构光测量法 结构光法，也可以归类到主动三角法中，包括：投影编码光和正弦条纹技术。物体 的深度信息经过码成为失真的条纹图形，由图像采集传感器记录下来。尽管与投影摩尔 条纹技术有关，但该方法不是采用参考光栅产生摩尔条纹，而是从漫射物体表面记录的 失真条纹直接解码得到物体的形状。 1 4 激光三角法 根据课题的需要，我们选择激光三角法对激光打标的质量进行在线检测。 激光三角法是通过光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，反射后在c c d 成 像。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在c c d 上也发生相应的位移【”。通过像 移和实际位移之间的关系式，物体位移可以通过三角法公式计算得到。如图1 3 所示， 图1 3 激光三角原理示意图 激光三角法微位移检测技术具有以上几种测量方法难以比拟的优点： ( 1 ) 测量稳定性好、精度高； ( 2 ) 可与计算机结合，组成测量自动化程度较高的智能型测量仪； ( 3 ) 可在生产现场在线检测； ( 4 ) 由于测量原理属非接触式测量，因此对被测工件材料无特殊要求，即可测量 金属材料，也可测量非金属及柔软材料。 激光三角法的光路设计主要分为以下两种 1 0 l ： ( 1 ) 直射式：投射激光束垂直于待测物体表面，检测器主要接收散射( s c a t t e r ) 和 漫反射光( d i f f u s er e f l e c t i o n ) 适用于表面粗糙度较高的被测面，特点是分辨率低，体 积小，测量范围大，信噪比低，如图1 4 所示， 会聚透镜 图1 4 直射式 ( 2 ) 斜射式：投射光束和待测物体表面的法线成一个夹角，检测器主要接收镜面 反射：兆( s p e c u l a rr e f l e c t i o n ) ，适用于表面粗糙度近于镜面的被测面，特点是分辨率 高，体积大，测量范围小，如图1 5 所示。 图1 5 斜射式 当检测器采用c c d 时，获取的信号是一副图像。而图像处理就成为决定激光三维传 感器的精度和速度的重要步骤，其处理目的主要是得到图像传感器上像移的精确值。 1 5 本论文研究工作内容 课题组与新加坡a e m e v e r t e c h ( 永科) 电子公司有长期科研合作关系。在研发的 第二代激光打标系统中将配备b i v ( 内置视觉) 系统，对打标质量实时在线检测。本 论文对在研的打标系统中的b i v 系统的光学部分进行理论分析，实验部分由另一组进 行，完成了如下工作： 1 设计合理的光路，提高获取图像的质量： 2 采用激光三角法测量打标的深度及三维形貌，为激光打标的在线反馈控制提供 信息： 3 提出求激光漫反射中心的新方法及杂散光( 散斑) 对c c d 图像采集的影响。 第二章打标检测系统的光路分析 工业检测领域对检测精度和检测速度的要求不断提高，传统的接触式测量【l l 】已经 无法满足需求；非接触测量由于其具有测量稳定性好、精度高，可与计算机结合，可 实现在线检测、成本低等优点，得到了广泛应用。 本章采用非接触测量中的激光三角法对打标系统进行在线检测，并对检测系统中 的光路进行设计和优化，提出影响测量系统精度的因素及解决办法。 2 1 打标检测系统的光路分析 激光打标视觉检测系统1 1 1 l 采用三角法测量肚1 3 1 ，如图2 1 所示，在该图中，( a ) 是相对于激光面的剖面图，依照该图可计算打标物体的深度信息，( b ) 是平行于激光 面的剖面图。 基 激光光源 图( a ) 散光光源 图2 1 激光一机器视觉三角法测量原理 囤( b ) 图2 2 是任意放置的激光漫反射带及c c d 相机所组成的几何光路示意图。 8 c c d 面斥 a | |尸光轴 7 a t a n p 入 a o o c 弋9 。+ 忒； j 埘 【光扫描 面 图2 2 任意角度放置的激光漫反射带及c c d 相机光路 可以得到式： 三三+ 一1 ( 2 1 i ) 一+ 一 i， f4 0b o 对激光面上的任一点，设其入射角为p ，其实像与c c d 面阵相交于点s ，则根据 其光路图可计算出其物距( 2 2 ) 与像距( 2 3 ) ： 4 ! l 一 ( 2 2 ) 14 - t a n p t a n 口 b k ( 2 3 ) 1 一t a n p t a n 口 。 如果想要使点s 成像于c c d 面阵上，a 和b 必须满足透镜成像公式。根据式( 2 2 ) 与像距( 2 3 ) ，可以得到式( 2 4 ) ： 三+一1 l + t a n p t a n a + 1 - t a n p t a n f l 4 ，6 “。 b o ( 2 。4 ) 。手+ 等一警灿p 因此，只有入射角p 满足式( 2 4 ) ，a 和b 才满足透镜成像公式，即： ( 詈一半卜一。 眩s ， t 孤卢b ot a n t 2( 2 6 ) 9 且与透镜光轴垂直， 须为零，即： 口- 口- 0 即卢一0 ，为了满足s c h e i m p f l u g 条件，激光面与光轴的夹角口必 激光光谭 图2 3 激光面平行于o c d 并与光轴垂直 光轴 ( 2 7 ) 如图2 3 所示，在这种情况下，c c d 根本看不到高于r 。的待检测物表面与激光面 的交线，即光线被遮挡严重。在满足式( 2 7 ) 的条件下，可以对图2 3 中的c c d 及激 光面的位置作适当的调整，以减少激光被遮挡的程度。第一种改进是使c c d 面阵和激 光面相对被测物体表面作一定的旋转( 见图2 4 ) 。 图2 4 为对图2 3 旋转一定的角度 第二种改进是使c c d 面阵处于光轴的上方，如图2 5 所示。由于透镜在远离光轴 时成像畸变较大，这种改进方案并不可取。 1 0 激光光源 图2 5c c d 面阵垂直远离光轴 一般光学设计是倾斜c c d 面阵及其成像光轴，使激光面与光轴的夹角口，0 ，通 常其变化范围为詈詈，如图2 6 所示这种设计使光线被遮挡的程度大大减低， 图2 6 旋转c c d 面阵及其光轴 打标的深度、宽度等信息与c c d 面阵上的像移并不存在线性关系。为了满足这种线性 关系，可以转动c c d 面阵使其平行于激光扫描面( 如图2 7 ) ，但这种设计破坏了 s c h e i m p f l u g 条件，并且使反射光不能大量的聚焦到c c d 面阵上。这种情况下，不得不 改变c c d 面阵和光轴的夹角。 图2 7c c o 面阵与激光面平行 如图2 8 所示，根据几何光学可以得到： r b h b l 图2 8 检测系统一般光路图 另外，还可以得到下面的公式： 6 l + 6 2 - b os u x ( 9 0 + 芦) s i n ( 9 0 一( 口+ ) ) c o s ( a + 卢) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 工塑上! 冬 ( 2 1 0 ) s i n ( 9 0 一似4 - 芦) ) c o s ( a + 卢) h - 仁- s ) c o s ( a + 卢)( 2 1 1 ) b 2 一( l - s ) s i a ( a + p ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 9 ) 至( 2 1 2 ) 代入( 2 8 ) ，则有： 口( 上逻竖一s 1 r 立譬兰生二一 (213)b 面oc o 丽s 一( 盏叫s 呱a “ 这就是光学三维测量深度的通用公式( 包括s c h e i m p f l u g 条件) 。对于图2 3 ，a 。口0 ， 式( 2 1 3 ) 可化简为： r 尘 ( 2 1 4 ) b o 对应的m a t l a b 图形为： 1 2 图2 9 为公式( 2 1 4 ) 对应的姒t l a b 图形 对图2 6 ，多一0 ，式( 2 1 3 ) 可化简为： r ：里! 皇呈! = ! ! ! 坐1 1 2 兰一( 5 0t a n 口一s ) s i n 口 c o s a 对应的m a t l a b 图形为： b b o t a n a - s b o4 - j t a n a 图2 1 0 为公式( 2 1 4 ) 对应的m a t l a b 图形 对图2 7 ，口- 一芦，式( 2 1 3 ) 可简化为： r 。口b o ( s i n a - s ) b o c o s a 1 3 ( z 1 5 ) ( 2 1 6 ) 对应的m a t l a b 图形为： 图2 1 1 为公式( 2 1 5 ) 对应的m a t l a b 图形 从上面的分析可知，打标检测系统应采用如图2 6 的设计方案。这时，可得到一个 非线性的深度表达式( 2 1 5 ) 。从该公式对应的m a t i , a b 图像可以看出，口取三个不 同角度时，a 取值越小，图像越趋近于线性关系。如果c c d 面阵上的像点变动血， 实际的深度变化为r ： 献岱_ 二兰l ： b o c o s 口+ 厶s i n a ) 2 ( 2 1 7 ) 所以，采用图2 6 所示的设计方案，这时透镜光轴与c c d 面阵平行。式( 2 1 7 ) 中，由于系统未确定，口，6 0 为可变量，口取三6 詈之间，得出丛，a r 的对应曲线： i 虱2 1 2 血- 5 0 b ：6 0 一1 ：1 图2 1 3 s 一4 0 0 ，b ：6 0 - 1 ：1 1 4 图2 1 4a s = 1 0 0 ，b ：6 0 一5 ：1 图2 1 5a s - 1 0 0 b ：b o 一1 ：5 图2 1 6 a s 一5 0 0 ，b ：5 ：7 从以上分析可知图2 1 6 中，s ，r 为单调非线性关系，对比图2 1 2 2 1 5 可知， 线形不仅与丛取值有关，还与b ：b o 的比值有关。经过大量模拟计算可知，当 口：5 ：7 时，曲线单调性较好，随着口的减小，曲线越来越趋近于线性。 2 2 各种影响测量系统精度的因素 2 2 1 物与像对应关系的影响 由于打标物体的深度信息和c c d 平面上像移的数值之间是一个三维到二维的变换， 深度信息与像移的关系是非线性的。非线性关系的标定技术是获取打标物体三维坐标 的关键，这一问题已被广泛讨论l “”1 。采用三角关系的标定技术，由于对光学系统进 行了很多理想化的假设，因而该方法带来一些很复杂的非线性误差，对测量精度造成 较大的影响。实际系统一| j 打标深度与c c d 像移的对应关系标定技术，多是采用对打 标深度与c c d 像移的数据进行拟合标定，这种方法实际上是对一系列己知的深度信息 与像移对应关系作曲线拟合，最后通过查表的方法进行测量，该方法对精度的提高有 明显的改善。但是由于曲线拟合的方法不能完全消除系统误差的影响，所以仍存在一 定的系统误差。 2 2 2 光学系统像差的影响 打标检测系统中光学系统的研究是将透镜假设为一理想的薄透镜，以便从物体通 过光学中心到像平面画一直线去找到一个物点的像点，但实际上，透镜既不是理想的， 也不是很薄的，这就意味着空间的所有点并不是通过同一个光学中心，当透镜很大( 相 对像距和物距而言) 或者物体离透镜轴很远时，透镜的初级像差是相当严重的，尤其 是像的畸变会严重影响测量的精度，在理想光学系统中，在一对共轭的物象平面上， 放大率是常数，但相对实际光学系统，只有视场较小时才具有这一性质，当视场较大 时，像的放大率就要随着视场而异，这样就会使像相对于物失去相似性。畸变仅引起 像畸变，而对像的清晰度并无影响。因此，应用激光三角法检测打标深度、宽度等信 息时，在设计c c d 的镜头时必须要考虑消除初级像差的影响，这是因为对一般的光学 系统而言，当其结构形式一定时，高级像差随结构参数的改交影响甚小，这样，改变 结构参数时，实际像差的变化量基本上等同于初级像差的变化量，通常检测系统物象 畸变量要求小于万分之几【1 6 1 ，因而c c d 的选择尤为重要。 2 2 3o c d 分辨率的影响 由于c c d 探测器是由一系列光敏的像素单元排列成矩阵构成的，每个像素单元都 是有一定的尺寸。另外，相邻像素之问还有一定的间隔。这样c c d 探测器的分辨率主 要是由像素尺寸和像素间距大小来决定的。而且c c d 摄像机对像素位置的测量只能取 整数，因而不是连续的量，这就是c c d 探测器通常分辨率不高的主要原因。对于整个 测量系统的分辨率而言，它主要还取决于测量的范围。 2 2 4 系统中结构因素的影响 。 在激光三角法的测量系统中，光平面是垂直入射到被测物体上的，而且c c d 光电 接收面与透镜中心轴是垂直的。但是实际上测量系统的结构不可能没有误差，这个系 统结构误差直接影响测量的精度。 2 2 5 激光散斑的影响 应用激光三角法测量时，影响测量精度的因素除以上介绍的几项之外，还有一个 非常严重的影响因素：散斑的影响p t 1 s 1 9 。降低激光散斑的影响，提高像点中心的检测 精度，一直是人们关心的问题。 当采用激光三角法对物体进行测量时，激光束投射到被测物面形成漫反射光点作 为传感信号，被测物表面按波长( a 苫5 x l o 7 n ) 的尺寸来说是极其粗糙的。接近单 色的光波被这样的表面反射时，在距离适中的任一处得到的光波，是由许多个来自表 面的各个不同微观区的相干组元或子波组成的。这些不同的子波的光程差可能相差几 个或许很多波长，去掉相位关系仍相干的子波干涉，就产生了我们称为散斑的颗粒状 强度图样1 2 0 2 1 1 。 g h a u s l e r 通过冗长的统计推导，给出了由于散斑引起的光点中心的定位误差6 ， ( 光点中心的标准差) 为： 6 土土( 2 1 8 ) 1 2 j rs i n “ 式中，s i n u 是观察透镜的数值孔径，a 是激光的波长。 2 3 提高测量精度的方法 上文已分析了各种主要影响测量精度的误差因素，这些误差从理论计算上消除是 很困难的，甚至是不可能的，检测系统一旦确定这些影响因素也就确定下来，它们是 一种很复杂的非线性误差，这些影响因素都可通过多维拟合标定的方法消除。所谓多 维拟合标定的方法，就是将已知的物体深度、宽度坐标和一个或两个摄像机的像移坐 标位置对应，在整个测量区域内均匀布点标定，将标定的对应值进行多维非线性拟合 处理，从而得到输入与输出对应关系。这种关系拟合标定的前提是一一对应关系。对 于这种多维的非线性拟合，采用计算数学的方法是很难获得准确解的，而神经网络技 术正适合于解决此类问题。 多维拟合标定技术，首先解决了物与像非线性对应关系标定的问题，对光学系统 像差和测量系统的结构误差等因素采用一个c c d 的多维拟合标定法就可以将其对测量 精度的影响加以消除。 应用激光三角法检测打标深度、宽度等信息时，不可避免的受到多种因素的影响， 导致检测精度下降，其中尤以散斑的影响最为严重。对于散斑的影响，通过单c c d 的 标定是不可能将其误差消除的，但可以针对散斑产生的原因，通过减弱它的时间与空 间相干性减小散斑对测量造成的影响，将在下章重点讨论如何减弱、消除散斑对检测 系统精度的影响。 第三章打标检测系统中散斑的研究 由于激光相干性好，就不可避免地受到激光散斑的影响，严重地影响c c d 成像质量。 在打标检测系统中，由于散斑的存在，容易引起测量的误差，使检测精度下降。 本章主要介绍几种散斑抑制方法以及分析了散斑形成的几个主要因素，即光束的 相干性、相位差和偏振特性，提出抑制散斑的方法。 3 1 激光散斑 被测物表面按波长a25 x l o - t m 的尺寸来说是极其粗糙的。光波被这样的一个表面 反射时，在距离适中的任一处得到的光波，是由许多个来自表面的各个不同微观区的 相干组元或子波组成的；如果表面确实粗糙，则这些不同的子波的光程差可能相差几 个或许很多波长，去掉相位关系仍相干的子波干涉，就产生了我们称为散斑的颗粒状 强度图样。 3 2 散斑噪声抑制算法综述 激光三角法检测系统不可避免地受到散斑噪声的污染。由于散斑噪声的存在，使图 像的可解释性和判读性变差，严重地影响了图像的进一步处理和自动分析效率。为此人 们对散斑噪声的抑制算法进行了深入的研究，提出了一些有效的算法。它们大体上可分 为两类：一类是不相干和部分相干的多视图像处理；另一类是图像域滤波等的图像后 处理。多视图像处理和图像域滤波的本质都是压缩了散斑噪声又牺牲了图像的一些细 节。 在第二类技术中有如下几种主要方法：一是基于局部统计滤波的l e e 方法瞄1 ，此种 算法不仅抑制了噪声，同时也极大地增宽了图像的特征结构，使图像的目标特征模糊； 二是基于同态映射的同态滤波，此滤波算法把散斑噪声的非线性简化为线性。只要找出 一种相应的线性滤波算法即可，但它使图像的灰度降低，边缘受损；三是小波软阈值 算法，它对散斑噪声有较好的抑制效果，而且还尽可能多的保留原图像的目标特征1 ， 特别还保留强目标附近的弱目标：四是基于数学形态学的多方向形态滤波方法，此种方 法的优点在于它能把灰度图像转化为二值图像处理，较易硬件逻辑结构和v l s i 技术实 现，从而实现实时处理和较好地保持了图像边缘，缺点是噪声压缩能力较差瞬l 。 3 2 1 同态滤波算法 散斑噪声是乘性的非线性噪声。同态变换可使乘性噪声污染的信号实现信噪分离， 使乘性噪声变换为加性噪声，去掉了噪声与信号的相倚性，使对其处理具有一致性。同 态滤波方法是一种基于同态变换的滤波算法。它首先对信号进行同态变换，然后使用一 种合适的线性滤波算法来抑制噪声，最后做逆同态变换，达到信号恢复的目的，由于其 滤波操作是线性滤波，因此它必然带有线性滤波模糊图像边缘的缺点。h e n r i h a r s e n a u l t 和m a r t i nl e v e s q u e 于1 8 8 4 年提出了同态2 l e e 0 滤波算法；蒋立辉、 王骐于2 0 0 0 年提出了同态2 罩均值滤波算法，其算法如图3 1 ，3 2 所示。 图3 1 同态与l e e 滤波器级联算法 图3 ，2 同态与罩2 均值滤波器级联算法 3 2 2 局部统计滤波算法 由于局部统计滤波算法是l e ejs 于1 9 8 0 年提出的，所以这个算法亦称l e e 滤波器。 它假定一个像素采样均值和变差等于其像素邻域的局部均值和变差，并且把所探测到 有关目标的强度函数做泰勒级数展开，取其一阶近似使其线性化，然后根据最小平方误 差估计在被散斑噪声污染信号中获得逼近信号，实质上它是用一个线性函数来逼近一 个非线性函数，由此造成了处理后的图像边缘模糊”。 l e e r 波算法如下：图像中每个像素估计值由式( 3 1 ) 给出，r ( m ，行) 为l e e 滤波器的 逼近结果，x 伽，n ) 为含噪声图像信号。 r ( m ，n ) 一x 一+ q 。( z ( m ， ) 一z 一) ( 3 1 ) 这里： q 脚1 1 笋 ( 3 2 ) 式中，盯2 为测得的图像信号噪声的方差。局部统计滤波认为盯2 可以用窗w ( 取 ( 2 k + 1 ) ( 教+ 1 ) 的方框) 中的方差逼近。x ，分别由式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 决定： z 一面1 可。至，薹，) ( 3 3 ) 1 9 一赤2 k ，薹，塾囊二一( + 1 ) 2f 第1 ，幺