专利名称：基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及物体三维轮廓测量，特别是一种基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装置和测量方法。
背景技术：
随着国内制造业向数字制造领域的迈进，对复杂曲面的三维面形测量的需求也越来越迫切，物体三维轮廓测量技术在国内制造业的应用也更加广泛，如航空航天、汽车工业、临床医疗等领域。在诸多的三维轮廓测量技术中，主动式光学三维轮廓测量技术，由于其非接触、无损、全场、高分辨率和易于实现自动化等优点，更是得到了人们的极大关注。并且近年来人们同样意识到机器人视觉领域三维测量的重要性，对主动式光学三维轮廓测量技术的研究日益增加。现有主动式光学三维轮廓测量技术主要有傅立叶变换法、相位测量法、灰度编码法和颜色编码法等。傅立叶变换法结构简单且测量精度较高，但是对于复杂曲面，会产生泄漏、混淆和栅栏效应引起的误差，且投影线条容易发生混叠并带来频率泄漏和相位展开的不连续，无法获得有效数据。相位测量法通过相移技术获取多幅不同相位的图像实现精确的相位展开从而得到较高的测量精度，但是相移技术测量时间过长，测量过程中要求样品和测量装置位置关系严格不变，给实际测量带来不便和诸多限制。彩色编码法以彩色编码图案或灰度编码图案作为物体三维信息的加载和传递工具，通过对颜色信息或灰度进行分析解码得到三维轮廓数据，该方法受物体表面颜色和拍摄条件影响较严重，应用场合有限。综上所述，上述现有技术除了存在系统结构复杂的缺点以外，前述技术均对测量环境和光照条件要求苛刻，也限制了其在复杂照明条件及机器人视觉领域的深入应用。空间坐标调制型的二值相位光栅由Dammarm和Gortle于1971年发明在先技术 l:H.Dammann and K. Gort Ier，Opt. Comm. 1971,3(3) :312 315。它作为夫琅禾费型光学器件，入射光波经过它产生的夫琅禾费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sine函数强度包络所引起的谱点光强的不均勻分布。1995年周�：痈隽舜�2到64点阵的达曼光栅解在先技术2 =C. H. Zhou, L. R. Liu, App 1. Opt.，1995，34(沈)，5961 5969，之后设计了与大多数光学系统相配的圆形达曼光栅，并详细地分析了相位制作误差及侧壁腐蚀误差对光栅性能的影响在先技术3 =C. H. Zhou, J. Jia,L. R. Liu, Opt. Lett.，2003，27 (22) :2174 2176。基于钻孔铜片可以获取三维表面数据，其原理是利用钻孔铜片产生的点阵照射到被测物表面后，利用数码相机拍摄变形的点阵图片并最终求解出物体三维轮廓。但是该方法的问题是阵列孔薄铜片是难以形成规则点阵，光点阵列质量差。如果孔的直径比较大，则投射出的光点太大，测量精度无法保证，同时也对照明光源的准直及勻光提出了苛刻要求；如果铜孔的直径太�。队肮獾愦嬖谘苌涓扇盼薹ūＶね渡涞阏蟮男巫�。由于每个光点光强空间分布是均勻的，抗干扰能力低、测量信噪比差、测量分辨率低。同时绝大部分激光能量均被铜板阻挡，系统能量利用率非常低，测量环境要求苛刻。达曼光栅将光源能量均勻地分布在各个衍射级次上，并且各个衍射级次的相对空间位置严格固定且可以精确求解，通过合适的光学系统设计，可精确控制投影光点的尺寸，从而提高系统的测量分辨率。张军等人首次提出了基于达曼光栅的傅里叶条纹轮廓测量技术，采用达曼光栅配合柱面镜替代传统的条纹产生方案，具有能量利用率高、投影条纹分布均勻、压缩比大以及条纹清晰明亮等优点，有效解决了传统傅里叶条纹法能量利用率低、条纹压缩比小等问题，但是其仍然属于傅里叶轮廓术的范畴参见在先技术4 J. Zhang,C. H. Zhou, Χ. X. Wang, Three Dimensional Profilometry using Dammann Grating, ApplOpt，2009，48(19),3709-3715。
发明内容
本发明目的是提出一种基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装置和测量方法，该装置具有测量精度高、装置结构简单、成本低、点阵图案可调、能量利用率高、适用于复杂照明环境、三维轮廓数据计算机重构方便等优点。本发明的技术解决方案如下一种物体三维轮廓测量装置，其特点是该装置有激光器、准直透镜、达曼光栅、投影透镜、左数码相机、右数码相机、传输线、控制线和计算机构成，各部件的连接关系是所述的激光器出射激光依次经过准直透镜、达曼光栅、投影透镜后形成矩形点阵图案并照明被测物表面，被测物被照明区域由所述的左数码相机和右数码相机同步采集的图像通过传输线输入计算机并经过图像数据处理和点云数据处理后获得被测物局部三维形貌信息，通过移动被测物或改变装置位置实现被测物全区域三维形貌信息的测量，获得物体三维轮廓fn息ο所述激光器指波长稳定的单波长激光器。所述准直透镜指实现激光器出射光实现缩束准直作用的光学镜头。所述达曼光栅指将一束入射激光分束成NxM束激光点阵且点阵光强度均勻分布的微结构光学元件，N和M为正整数。对所述激光器波长的所述达曼光栅的衍射图样为矩形分布规则点阵，点阵间距可通过设计达曼光栅来控制。所述投影透镜指将达曼光栅分束点阵光高频滤波后并低畸变投影至被测物表面的光学镜头。所述左数码相机和右数码相机分别放置在投影光学系统两侧，与投影光轴成一定夹角。相机分别同时对被测物拍摄后并将图像同步采集传送至计算机。传送至计算机的时间序列图像数据经过计算机图像和点云数据处理后，便可以获取的物体表面轮廓的点云数据并实现物体三维轮廓重建。所述计算机具有图像采集接口、激光器控制接口和三维轮廓测量重建软件。利用上述物体三维轮廓测量装置进行物体三维轮廓测量的方法，包括以下步骤①调整投影透镜与被测物处于适当距离，使所述达曼光栅分束后通过所述投影透镜产生的矩形分布点阵光均勻照明在被测物待测区域表面上；
②通过所述的左数码相机、右数码相机对被测物进行同步图像采集，设定t时刻左数码相机和右数码相机采集的图像分别为IJt)和Ik(t)，通过所述计算机的图像处理后获得包含物体被测区域的部分轮廓信息的点云数据P (t)；③通过改变被测物体测量部位，不断测量并得到不同部位(不同测量时刻t)的独立点云数据集合{P(t)}。该{P(t)}通过所述计算机的点云数据处理后得到物体的全视角点云数据PF，并还原出物体三维轮廓信息，完成物体三维轮廓的测量。所述图像处理包括同步滤波、特征匹配和点云构建三个过程。所述的同步滤波负责将、时刻采集的图像IJt1)和IJt1)分别进入四通道同步滤波①第一通道进行高通滤波，并获取仅含达曼光栅零级光点信息的零级光点图I0lU1)禾口 IVt1)；②第二通道进行带通滤波剔除掉物体表面色彩信息获得仅含物体轮廓信息的变形的达曼点阵
图1\(、)禾Π 1 (、)；③第三通道灰度滤波，进行灰度滤波获得剔除背景噪声但包含物体表面灰度变化信息的灰度信息图IeJt1)和It^t1)；④第四通道降噪滤波，进行降噪滤波并获得保留物体纹理色彩信息低噪声图像IpJt1)和 1 )。四个通道同步滤波得到上述四组滤波数据，上述四种滤波技术具体实现方法参见在先技术5 章毓晋，图像工程(第二版)，清华大学出版社，2007。所述的特征匹配负责对左数码相机、右数码相机同时刻采集的图像对中像素点进行一一对应匹配。具体步骤包括①由于零级光点图Ic^t1)和1°^、)各自的零级光点是唯一且确定的，计算零级光点图IcV(U)和&(、)的零级光点质心，得到严格匹配的计算机图像坐标系下的光点质心坐标::—;二_'i,；，光点质心计算方法参见在先技术6 :S.(ihosal，R. Mehrotra. Orthogonal moment operators for subpixel edge detection, PatternRecognition,1993，26(2) :295_306。②计算图I1^t1)和1\(、)中的所有光点质心的计算机图像平面坐标系下的质心坐标(yL(tl), VlU1))和(μ Jt1), Vjt1)),同时在图IglU1)和Ige U1)中计算前述各光点邻域的尺度不变特征信息CJ μ y vL)和CK(yK，νκ)，计算尺度不变特征信息的方法请参见在先技术 在先技术 7 G. Lowe，Distinctive Image Features from Scale-InvariantKeypoints， International Journal of Computer Vision,200460(2) :91_11。③定义(tl)和&(、)图中各光点质心到各自零级光点质心距离为点离
权利要求
1.一种基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装置，其特征在于由激光器(1)、准直透镜⑵、达曼光栅⑶、投影透镜⑷、左数码相机(L)、右数码相机(R)、传输线(6)、控制线(7)和计算机(8)构成，各部件的连接关系是所述激光器(1)发出的光束依次经过准直透镜(2)、达曼光栅C3)、投影透镜(4)后，形成二维矩形投影点阵照明被测物表面( ，由所述左数码相机(L)和右数码相机(R)同步采集被测量目标表面( 三维面形调制的矩形点阵图案，经传输线(6)输入所述计算机(8)进行数据处理，该计算机(8)通过控制线(7)连接激光器(1)，所述计算机(8)具有图像采集接口、激光器控制接口和三维轮廓测量重建软件。
2.根据权利要求1所述的物体三维轮廓测量装置，其特征在于所述的达曼光栅(3)的空间分束比为NxM，N和M为正整数，对所述激光器(1)发出的激光的衍射后形成二维矩形点阵光束，在被测物表面(5)表面构成均勻的NxM点阵光斑。
3.利用权利要求1所述的物体三维轮廓测量装置进行物体三维轮廓的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤①调整投影透镜(4)与被测物表面( 之间的距离，使激光器(1)出射光所述达曼光栅( 分束后通过所述投影透镜(4)形成二维矩形投影点阵光束照明被测物表面( 上；②通过所述的左数码相机(L)、右数码相机(R)对被测物进行同步图像采集，设定t时刻左数码相机(L)和右数码相机(R)采集的图像分别为IJt)和IK(t)输入所述的计算机(8)，经该计算机(8)的三维轮廓测量软件的图像处理后获得包含物体被测区域的部分轮廓信息的点云数据P (t)；③通过改变被测物体的测量部位，重复步骤②，得到不同部位，即不同测量时刻t的独立的点云数据集合{P(t)}，该点云数据集合{P (t)}通过所述计算机(8)的三维轮廓测量软件的点云数据处理后，得到物体的全视角点云数据Pf，并还原出物体三维轮廓信息，完成物体三维轮廓的测量。
4.根据权利要求3所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述计算机图像处理的流程包括图像同步滤波、图像特征匹配和图像点云构建。
5.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的图像同步滤波包括四通道图像滤波同步进行①第一通道高通滤波，获取仅含达曼光栅零级光点信息的零级光点图Ic^t1)和IVt1)；②第二通道带通滤波，剔除掉物体表面色彩信息获取仅含物体轮廓信息的变形的达曼点阵图 I11Jt1)禾Π Idk(ti)；③第三通道灰度滤波，获取剔除背景噪声但包含物体表面灰度变化信息的灰度信息图IglU1)禾口 Igk (、)；④第四通道降噪滤波，获取保留物体纹理色彩信息低噪声图像IpJt1)和IpkU1)；所述的第一通道滤波数据、第二通道滤波数据和第三通道滤波数据供图像处理流程内特征匹配环节使用，第四通道滤波数据供点云处理流程使用。
6.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的图像特征匹配包含以下步骤①计算零级光点图IcVa1)和1°^、)的零级光点质心，得到计算机图像坐标系的零级光点图IcVai)和IVt1)的光点质心坐标4 r,; :和:T1!、V ；②计算物体纹理色彩信息低噪声图像I1Va1)和1\(、)中的所有光点质心的计算机图像平面坐标系坐标(UlU1), VlU1))和(UeU1), Vjt1)),同时在灰度信息图IglU1)和IgeU1)中计算并得到所述的光点邻域的尺度不变特征信息CJyy vj *CK(yK，vK)；③定义低噪声图像I1^t1)和1\(、)图中各光点质心到各自零级光点质心距离为点离D1 〉χ 々…μ: i:-卜…彳·:和.D: -, iw…4—:-、…ΦΓ,在IpJt1)图中寻找I1V U1)图中点距为^的光点“？ · Γ )的对应匹配点；、，结合极线约束条件，将以I1Ut1)图像中以其零级光点质心为圆心，并以半径kA和1 为上下限内环带所有光点的尺度不变特征信息归入待匹配集合G ；④设立特征信息评价函数F及评价函数阈值Mf，计算F: “::. · f . 、. + :.:_)，Ck ( μ Ε,vE) e G，评价函数F值最低&CK(yK，vE)对应的光点即为匹配光点:..““如果最低的F值仍大于Mf则视为匹配失败放弃此次匹配；循环计算I11Jt1)所有光点并完成所有匹配，并最终得到计算机图像平面坐标匹配表T (L，R)，从而完成特征匹配。
7.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的点云构建是通过将坐标匹配表T(L，R)与所述的左数码相机(L)、右数码相机(R)的内外参数相结合，利用三角法将t时刻的计算机图像平面坐标信息全部还原为t时刻世界坐标系W(t)的三维坐标信息(Xwt，Ywt, Zwt)，从而完成点云构建并得到离散点云数据P (t)。
8.根据权利要求3所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的点云数据处理包括图像索引和点云拼接过程。
9.根据权利要求8所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的图像索引是建立时刻tm的低噪声图像IpJtm)和IpK(tm)与同一时刻tm的点云数据P(tm)的对应关系，并建立索引函数h (P，Ipl, Ipk)。
10.根据权利要求8所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的点云拼接包括以下步骤①设定、时刻获取的点云数据PU1)所处的坐标系为标准世界坐标系Ws，ti时刻的相邻下一时刻为t2时刻，t2时刻获取的点云数据为P(t2)，对所述的第四通道降噪滤波，获取保留物体纹理色彩信息低噪声图像IpJt1K IpJt2))及(IpkU1)、Ipk(t2)的色彩和灰度信息进行全局特征快速计算，得到相应的ΙΡ“、)、IpL(t2))及(IVtWt2)图像的特征信息Sm Sl U1), Sl (t2)和3九)灿2)，寻找SJt1)和SJt2)的相同特征并建立对应关系集合ISJt1, t2)}，同理有 ISkU1, t2)}；②利用特征匹配算法并结合视差梯度约束和极限约束，计算ISJt1,t2)}中IpJt1)的像素点在IpJt1)中的匹配点，同理计算ISJtpt2M中IpJt1)的像素点在IpJt1)中的匹配点，通过此交叉匹配过程最终确定、和、时刻的若干严格重合点{X}；③根据{X}确定点云数据Pai)和P(t2)之间多个欧氏变换关系，即R1(W1)i!jRN(t2,、)，将所有R(t2，、)组成欧氏变换集合{R(t2，、)}，根据点云的顶点法矢及曲率信息计算对Pai)中的每一个顶点ρ的脚标并得到脚标值FP (p)，对于P (t2)中的每一顶点q有脚标值FP(q)，对于满足FP (p)-FP (q) | ( ε的一对点(p，q)对Ρ(、)和P (t2)之间的欧氏变换关系R(t2，、)有一票投票权，所有具有投票权的点对(p，q)构成投票点对集合{(P，q)}；④根据索引函数^为投票点，投票点对集合{(P，q)}选择可投参与投票的欧氏变换集合{R(t2，t》}，并利用投票点对集合{(p，q)}中所有具有投票权的点对(p，q)对欧氏变换关系{R(t2，、)}中所有R值进行投票，得分最高的R值写为&，就选为PU1)和(t2)的欧氏变换关系，并根据&完成离散点云数据ρα2)至Pa1)点云坐标系Ws的坐标转换，获得数据扩容的点云数据P2U1)；⑤在测量过程重复上述过程①-⑤，将后继测量中t3时刻获取的离散点云数据P(t3)拼接至P2U1)获得P3(L)，同理将P(t4)拼接至P3U1)得到P4(L),…，最终将最后时刻tN获得的离散点云拼接至Pn-1U1)内得到PnU1)，因为PnU1)的世界坐标系为标准世界坐标系Ws，PnU1)就是物体在标准世界坐标系Ws下的全视角点云数据PF。
全文摘要
一种基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装置及测量方法，该装置由激光器、准直透镜、达曼光栅、投影透镜、两个数码相机、传输线和计算机构成，所述激光器出射激光依次经过准直透镜、达曼光栅、投影透镜后形成矩形点阵光束照明被测物表面，被测物测量区域的图像由两个数码相机采集通过传输线输入计算机，经计算机数据处理后获得被测物局部三维形貌信息，通过移动被测物或改变装置位置实现被测物全区域三维形貌信息的测量，获得物体三维轮廓信息。本发明具有点阵规则、信噪比高、测量适应性强，测量精度高，装置结构简单、成本低、重量轻、应用场合广等优点，便于计算机对三维轮廓重构过程的简化，可以实现自动测量，具有重要的实用价值和前景。
文档编号G01B11/25GK102564347SQ201110456929
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者周�：�, 曹红超, 王少卿, 贾伟, 韦盛斌, 麻健勇 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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