基于光栅投影的三维轮廓测量技术

基于光栅投影的三维轮廓测量技术

1维轮廓测量技术发展现状随着激光技术、计算机科学和数据处理等高科技的发展，光学非接触测量技术也得到了很大的发展。特别是三维轮廓测量技术具有速度快、分辨率高、非线性检测和数据采集速度快等优点，因此在工业过程控制、反向工程、cd-rom、人体测量诊断和现代制造系统的应用等方面受到了高度重视。2轮廓的相对参考高度基于光栅投影的三维测量就是将光栅图样投影到被测物表面,由摄像机获取变形的光栅像,并由形变量与高度的关系来确定出轮廓相对参考平面的高度信息。根据形变量与高度关系的不同描述方法以及对光栅条纹的处理方法的不同,可以将光栅投影测量大致分为2类:直接三角法和相位测量法。2.1光栅投影法原理直接三角法的基本原理如图1所示。激光器发出的光照射到参考平面上,部分反射光通过透镜组成像在光敏面上。当被测物轮廓高度发生变化时,引起像点在光敏面上位置的变化。由像点变化可求得高度的变化,即相对参考面的高度值。测点高度满足当激光器投射的光点扩展成为光条时,就构成光切法;当多个相同的光条同时投射时,即构成光栅投影法;当投射的光条在时间或空间进行编码时,构成编码图像投影法。在光栅投影中应用三角原理求轮廓高度时,关键是通过分析光强分布规律,准确找到条纹中心对条纹中心。该方法原理简单、速度快及不易受干扰的影响,主要缺点是测量精度不高、不能实现全场测量。2.2光栅调制函数将光栅图样投影到被测物体表面时,变形光栅像可以认为是由于三维物面对投影栅像的相位和振幅调制的结果。因此,可以通过通信理论中的解调方法求得因高度变化引起的相位变化,并由相位-高度关系求出相对参考面的高度信息。典型的交叉光轴测量系统原理如图2所示。投影装置经光心Ep投射光栅像至物体表面,并取其中的一条光线EpA进行考查。当被测物未放在参考面上时,光线在A点反射经CCD透镜中心Ec到达CCD光敏面上一点。当被测物存在时,对于光敏面上的同一点与光心Ec的连线与被测物相交于D点,而对应于D点的参考面上的点为B,即由于高度的调制,使得在D点的相位发生了变化。假定投影光栅光强为正弦分布,其满足则经物面调制后为式中,R(x,y)为与物体表面光学特性有关的物理量;A(x,y)为背景光强;B(x,y)/A(x,y)为条纹对比度;P为正弦载波间距;H(x,y)为相位调制函数,包含有物面信息。当考虑采用发散光束照射光栅时,即不同的光栅级次在参考面上的条纹间距不同时,由图2中的三角关系可以得到物相关系,可表达为其中,X、Y和Z分别表示空间点的3个坐标;Mx,My为摄像机系统放大率。3关键技术基于相位测量的光栅式三维轮廓测量术测量过程可用图3描述。3.1时域相移y相位测量主要分为2大类,时域相位测量和空域相位测量。时域相位测量主要是按一定的相位间隔移动投影条纹,多次采集变形光栅像,由多帧图像求出相位的变化。典型方法是N步移相式轮廓术,即将投影到物体表面的正弦光栅像移动相位N次,每次移动2π/N,由采集到的N+1幅图像求得相位值。设In代表第n幅图像上(x,y)的光强,则时域测量由于采用多帧图像,精度高;只需计算强度值和反正切函数,所以处理简单,即使是较粗的条纹也可达到很高的灵敏度。缺点是不能消除高频噪声引起的误差,图像采集时间长。如果测量环境在短期内变化不大,该方法是可行的。空间相移的算法有多种,如三步法、四步法、五步法和Carré等。尽管相移算法多种多样,但通过傅立叶分析,可以从本质上分析算法的各种性能。空域相位测量是空域中的主要处理方法,其利用数字滤波,将频率较高的载波和频率较低的面形分离开来,从而将面形恢复出来。典型的是傅立叶变换法,过程如图4。傅立叶变换轮廓术可以由一幅图像处理得到相位值,能够自动区分物体表面的起伏变化;由于采用数字滤波,可以消除高次谐波引起的误差。缺点是对斜度大的物体需要分辨率高的图像设备和高性能的计算机,运算时间长;由于谱泄漏和混叠,易在使用FFT时产生误差。这种方法在提高处理速度后,可应用于动态测量。随着LCD技术的发展,新的原理也不断出现,如次条纹积分法、反相位线性结构光栅编码和等腰三角齿结构光等。3.2全相位展开技术解相位也称去包裹,就是将在-π~+π之间的相位恢复为真实的相位。典型的空域解相位方法包括割线法、延展树法、像素排序法、分布处理法、模拟退火法、神经网络法以及形态学解相位法等。这些算法可分为2类:全场解相位和区域解相位,即路径无关法和路经相关法。以上算法都能部分改善处理效果,但由于解相位中要处理好5类误差源,实现完全自动化解相位,还存在很大距离。特别需要指出的是:Huntley和Saldner提出的时域相位展开技术,采用周期线性变化的相位图,在时域中得到绝对相位,避免了空域中的噪声点的误差传播;徐针对解相中的极点与截断的关系,提出了虚拟极点,并给出了增强型的Goldstein算法。3.3维测量法在美国、日本和中的应用,其复单个摄像测量装置,只能测出被测物的某些局部。要实现三维整体测量,可以采用多次扫描的方法,然后通过配准和拼接实现整体三维测量。在文献、和中介绍了多种三维拼接测量的原理和方法。无论是结构光还是光栅投影,实现整体三维测量对于数据的深层挖掘有重要意义。目前,最典型的三维配准和拼接的方法是ICP(iterativeclosestpoint)算法。3.4维光轴测量的技术改进现有误差研究多是沿用干涉图分析的结果,Luca介绍了误差以及系统的标定过程。光栅投影测量系统根据摄像机光轴和投影光轴的空间位置不同,可分为交叉光轴和平行光轴系统。平行光轴的调整比较困难,较少采用;同样,采用交叉光轴时,也存在2个明显约束:投影光源镜头光心和摄像机镜头光心的连线平行于参考平面;摄像机镜头光轴垂直于参考面。即传统方法包括平行度、垂直度、物面和成像面间的比例关系和系统几何参数的标定等方面。文献在采用新系统时,没有平行度和垂直度的限制,只需标定摄像机和系统参数。实验说明:系统标定只需5min,大大提高了效率;单次测量位移分辨率可达到1/10像素。实际上,考虑摄像机镜头畸变时,需要进行坐标轴方向的校正和测量相位的校正以便于实现真正的“绝对”三维测量。此外,由于技术的最终表现是系统和产品,技术的系统化和产品化也受到各方面的重视。在这方面,国内和国外的差距很大。3DLCS三维扫描系统采用激光线扫描,测量精度可达0.01~0.05mm;RGB24位真彩色,扫描时间≤90s,采样速率达18000点/s;交叉光轴投影系统用于牙模测量。为测定精度,对70mm(长)×70mm(宽)×60mm(高)标准平面进行高度测量,均方误差为0.032mm。国外的Cyberware、ImpactStudios、Opton和