CN103234475B - 一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，该方法通过测量零件不同位置轮廓切片，叠加得到整个零件轮廓。本发明充分利用图像的彩色信息，在激光条纹是红色，背景是黑色的先验知识指导下，提取RGB图像的红色通道分量，减小噪声影响，提高高斯拟合条纹中心精度。通过对同一位置多次拍摄叠加激光条纹图像提高精度，降低了对激光条纹宽度和亮度的要求，降低了激光器的成本。通过先粗略确定条纹中心位置然后采用固定数量的像素拟合确定亚像素中心的方法避免了确定激光条纹边界而采用复杂算法，降低了算法复杂度。

Description

一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法
技术领域
本发明涉及非接触测量领域，特别涉及一种基于激光三角测量法的亚像素精度表面形态测量和分析检测方法。
背景技术
近年来非接触式测量越来越多的受到重视，与传统接触式表面形态测量和分析方法相比，激光非接触式测量具有独特优势：1、传统测量需要接触工件表面，不但会造成测量设备的磨损和损害，还容易划伤工件表面，而激光非接触方法避免了对被测物体造成划痕和磨损，尤其适用于各种柔软材料、易腐蚀材料和传统方式无法检测的表面形态测量和分析；2、接触式表面形态测量和分析设备需要工作过程中多次校准，而对于特定的测量环境，激光非接触测量设备只需一次性设置和校准，终身受用，节约维护和再标定的时间和金钱成本；3、非接触测量设备可以安装在生产线上，实现在线测量。
目前激光非接触测量主要使用的激光器分为点激光和一字线激光。一字线激光由于采样面积大，在测量精度和使用范围上较点激光有明显优势。但目前的使用一字线激光器的激光三角测量法的很大程度上精度取决于激光器条纹的粗细、均匀性和亮度分布情况。使用性能更优的激光器来提高测量精度的方法增加了设备的成本。
在激光三角测量法中，激光条纹的中心代表工件表面轮廓。高斯拟合法为确定激光条纹中心的主要方法，但目前的方法有以下几个不足：1、不同表面激光散射情况不同，仅使用单幅激光条纹图像拟合的情况下，为了提高照射亮度，很容易产生过曝光情况，导致估计条纹中心产生错误；2、通过多次测量来提高测量精度，并没有消除每次的测量误差；3、处理激光条纹图像时直接把彩色图转成灰度图处理，并没有利用图像的彩色信息；4、通过确定激光条纹的边缘范围来确定高斯拟合所需像素点数量，这种方法受到了边缘范围精确度限制，并增加了计算时间。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提出一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，该方法具有很好的实用性，使用普通的一字线激光器就能实现零件表面形态如高度、粗糙度、平面度、轮廓的准确检测，大大降低了激光器的使用成本。
本发明为了完成其技术目的所采用的技术方案是：一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，使用一字线激光器产生的激光进行三角测量，包括以下步骤：
A、采用一字线激光器产生的激光照射零件；
B、采用彩色CCD相机对零件的同一位置采集2－10幅激光条纹图片；并将采集到的所有激光条纹图片叠加形成一副叠加图像；
C、提取叠加图像的红色通道图像并对其进行中值滤波，滤除噪声；
D、沿进行中值滤波后的红色通道图像列方向搜索每一列像素极大值点；
E、在每一列像素极大值点两侧各取5－10个像素点进行高斯曲线拟合，提取亚像素精度的激光条纹中心线，形成亚像素表面形态图像。
进一步的，上述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法中：在步骤A之前，还需要对测量测量设备进行校准和对测量***进行标定；
校准设备包括使一字线激光器和水平工作台表面垂直，CCD摄像机主光轴与激光器在一个平面内，与水平表面垂线成45~60度角；
对***进行标定包括得到真实空间高度与CCD拍摄图像高度之间的关系。
进一步的，上述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法中：在步骤B中采用彩色CCD相机对零件照像前还有进行带通滤光的步骤。
进一步的，上述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法中：所述的步骤C中：滤波采用N*N（N=3，5，7）的矩形模板。
进一步的，上述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法中：所使用的激光器为红光激光器。
进一步的，上述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法中：所述的红光激光器的波长为635~660nm。
本发明提出的一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，与已有的方法具有以下优点：
1、充分利用图像的彩色信息，在激光条纹是红色，背景是黑色的先验知识指导下，提取RGB图像的红色通道分量，减小噪声影响，提高高斯拟合条纹中心精度。
２、通过对同一位置多次拍摄叠加激光条纹图像提高精度，降低了对激光条纹宽度和亮度的要求，降低了激光器的成本。
3、通过先粗略确定条纹中心位置然后采用固定数量的像素拟合确定亚像素中心的方法避免了确定激光条纹边界而采用复杂算法，降低了算法复杂度。
下面通过结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1、三角测量法的示意图。
具体实施方式
本实施例是一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，包括如下步骤：
1、***安装如图1所示采用深圳华用科技型号为HV500GC的500万彩色像素相机，相机镜头焦距为35mm，在镜头前安装中心波长为650nm，带宽为40nm的带通滤光片，使用波长为650nm的激光器。使一字线激光器和水平工作台表面垂直，CCD摄像机主光轴与激光器在一个平面内，与水平工作台表面垂线成45~60度角。
图1中A、B 分别为工件表面处于不同高度时形成激光光斑的位置；A'、B'分别为A、B 经过CCD 镜头后成像之像点；θ为CCD 镜头光轴与垂直方向的夹角；ϕ为成像角；D 为激光光斑的位移量，即工件表面高度变化值；δ为激光光斑所成像点的位移量。
2、***安装好后，调节光圈，避免相机像素点过曝光。用相机对工件的同一位置连续拍摄5幅大小为的激光条纹图片，M、N分别表示图像的长和宽，每幅图片记为，x，y分别为图像的行和列的坐标分量。使用公式（1）将5幅激光条纹图像叠加成一副叠加图像。
　　　　　　　（1）
3、叠加图像是彩色图像，每个像素点有RGB三个分量，这些分量可以组织成一个式2列向量形式：
　　　　　　　　　　　（2）
其中是红色图像中像素亮度，其他两个分量表示绿色图像和蓝色图像的亮度。提取彩色的叠加图像的红色亮度分量得到得到红色通道图像。
4、采用3*3的方形模板对红色通道图像进行中值滤波，滤去噪声，得到中值滤波后的红色通道图像。
5、按列搜索中值滤波后的红色通道图像的每列像素的极大值，记录每列极大值位置（i=1,2……M），获得条纹中心的粗略位置。
6、采用固定数量的像素点进行高斯拟合求取条纹亚像素精度的中心，在每一列极大值位置两侧各选择K（5<K<10）个像素点进行高斯拟合求取条纹中心。具体实现过程如下：
对于第m列，令， 表示用来拟合高斯曲线的2K+1个像素点的灰度值。
假设待拟合的高斯灰度曲线为：
（4）
其中u为条纹的亮度中心坐标。
下面采用最小二乘法实现高斯曲线拟合。
对（4）式两边取对数，将指数分布转化成二次曲线分布：
（5）
令=，，，
则（5）式可以写为：
（6）
利用最小二乘法求出，激光条纹中心位置为：
　　　　　　（7）
本实施例中的步骤均在计算机中通过编程的方法实现，用MATLAB证明方法的有效性、正确性，***编程编程采用Visual C++ 和OpenCV具体实现。

Claims (6)

1.一种基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，该方法通过测量零件不同位置轮廓切片，叠加得到整个零件轮廓；其特征在于：包括以下步骤：
A、采用一字线激光器产生的激光照射零件；
B、采用彩色CCD相机对零件的同一位置采集2－10幅大小为M×N的激光条纹图片fi(x,y)，x，y分别为图像的行和列的坐标分量；M、N分别表示图像的长和宽的像素数；并将采集到的所有激光条纹图片叠加形成一副叠加图像g(x,y)，
s为彩色CCD相机对零件的同一位置采集的图片数；
C、提取叠加图像的红色通道图像r(x,y)并对其进行中值滤波，滤除噪声，得到中值滤波后的红色通道图像s(x,y)；
D、沿进行中值滤波后的红色通道图像s(x,y)列方向搜索每一列像素极大值点；记录位置每列极大值位置ni，i＝1,2……M，获得条纹中心的粗略位置；
E、在每一列像素极大值点ni两侧各取K，5<K<10个像素点进行高斯曲线拟合，提取亚像素精度的激光条纹中心线，形成亚像素表面形态图像；包括：
对于第m列，令f(x,m)，x∈[ni-K,ni+K]表示用来拟合高斯曲线的2K+1个像素点的灰度值，
假设待拟合的高斯灰度曲线为：
其中u为条纹的亮度中心坐标，σ为标准偏差；
对待拟合的高斯灰度曲线式两边取对数，将指数分布转化成二次曲线分布：
令F(x,m)＝lnf(x,m)，
二次曲线分布可以写为：
F(x,m)＝a0x2+a1x+a2
利用最小二乘法求出a0,a1，激光条纹中心位置为：
2.根据权利要求1所述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，其特征在于：在步骤A之前，还需要对测量设备进行校准和对测量***进行标定；
校准设备包括使一字线激光器和水平工作台表面垂直，CCD摄像机主光轴与激光器在一个平面内，与水平表面垂线成45～60度角；
对***进行标定包括得到真实空间高度与CCD拍摄图像高度之间的关系。
3.根据权利要求1所述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，其特征在于：在步骤B中采用彩色CCD相机对零件照像前还有进行带通滤光的步骤。
4.根据权利要求1所述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，其特征在于：所述的步骤C中：滤波采用N*N ，N＝3，5，7的矩形模板。
5.根据权利要求1至4中任一所述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，其特征在于：所使用的激光器为红光激光器。
6.根据权利要求5所述的基于激光三角测量法的亚像素表面形态检测方法，其特征在于：所述的红光激光器的波长为635nm或者650nm或者660nm。
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