CN107121079B - 一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器视觉成像技术相关领域，并公开了一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置及方法，包括测量机架、平行光源组件、检测相机和距离传感器，其中平行光源组件由安装盒、平行光管和透射光栅共同组成，并且透射光栅上刻有宽窄相间的平行刻痕，由此使得平行光管发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹；此外，检测相机的数量仅为一个并与平行光源组件相配合，由此对待测曲面上所形成的平行条纹执行采图以获得图像。本发明还公开了相应的曲面高度信息测量方法。通过本发明，不仅只需要使用单个相机即可高效率完成曲面高度信息测量，而且整体结构紧凑合理、便于操作，适应性强，同时显著提高了最终可获得的测量精度。

Description

一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置及方法

技术领域

本发明属于机器视觉成像技术相关领域，更具体地，涉及一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置及方法。

背景技术

在视觉技术中，为了测量曲面的高度信息，至少需要从多个角度获取被测曲面的多个图像。已有的方法通常是利用两个或者多个相机进行采图，并利用几何约束条件获得被测曲面的三维信息；或者仅利用一个相机从多个角度进行采图。然而对前者来说，由于必需利用多个相机，在提高成本的同时，还存在多相机***中相机内外参数标定非常繁琐的问题，而且对于最终的测量精度往往也影响较大。对于后者来说，虽然只使用了一个相机，但操作时通常需要频繁改变相机的空间位置，操作繁琐且往往无法保证精确的移动位置，同样会不利于最终的测量精度。

通过检索发现，CN201510248456.4公开了一种具有三角测距功能的单目视觉传感器，其由激光器发出激光束，经过聚焦镜组之后形成一束准直激光束，在被测目标表面形成激光光斑；成像镜组将被测目标(连同激光光斑一起)成像到成像器件表面上，然后通过计算来获得被测目标的二维信息与距离信息，从而实现了利用单目视觉传感器获取被测目标的三维信息。

然而，进一步的研究表明，上述现有方案只适用于针对平面物体的测量，而在曲面物体测量应用场合很难有效使用；尤其是，它只能测定被测物体到相机的距离信息，而无法获得被测物体在离面方向的变形信息，而后者对于曲面测量应用来说是非常关键的指标。相应地，本领域亟需针对上述技术问题寻求更为完善的解决方案，以满足目前日益提高的工艺要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置及方法，其中结合各类曲面测量应用场合的特定需求及实际工况特点，针对该测量装置的整体构造布局、以及多个关键组件的具体组成和设置方式等多个方面重新作出设计，同时对其测量算法进行了研究和改进，相应与现有的曲面测量方案相比，不仅只需要使用单个相机即可高效率完成曲面高度信息测量，而且整体结构紧凑合理、便于操作，适应性强，同时显著提高了最终可获得的测量精度，因而尤其适用于曲面信息测量的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置，该装置包括测量机架、平行光源组件、检测相机和距离传感器，其特征在于：

所述测量机架呈水平布置的对称十字框架的形式，并作为其他组件的安装基础；

所述平行光源组件的数量为四个，它们各自安装在所述测量机架的四个相同臂结构的末端下方，并分别可经由配套的电机来驱动发生旋转以使其投影角发生改变；各个平行光源组件分别均由安装盒、以及依次分设在此安装盒内部的平行光管和透射光栅共同组成，其中该平行光管用于向所述透射光栅发射平行光束，该透射光栅上则刻有宽窄相间的两种平行刻痕也即具备宽窄相间的透光缝隙，由此使得所述平行光管发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹；

所述检测相机的数量仅为一个，它固定安装在所述测量机架的中央下方，并与各个所述平行光源组件相配合，用于对待测曲面上所形成的平行条纹执行采图以获得所需的二维图像；

此外，以该检测相机的透镜光心为原点来建立一个相机直角坐标系XYZ，其中该相机直角坐标系的Z轴与所述检测相机的光轴重合且指向该检测相机的下方，其X轴、Y轴满足右手定则，并且四个所述平行光源组件中的两个保持对称地处于此X轴上，剩余两个同样保持对称地处于此Y轴上；类似地，以所述检测相机的成像平面的中心为原点建立一个图像直角坐标系X′Y′Z，其中该图像直角坐标系的Z轴与所述相机直角坐标系的Z轴相重合，其X′轴、Y′轴同样满足右手定则；接着，在所述检测相机的正下方建立一个参考直角坐标系X"Y"Z，其中该参考直角坐标系的Z轴与所述检测相机的光轴重合，其X"轴、Y"轴同样满足右手定则，并且它的X"Y"平面保持与所述相机直角坐标系的XY平面相互平行；

所述距离传感器分别对应于各个所述平行光源组件而设置，并且当通过调整所述测量机架的高度使得所述检测相机可获得清晰的所述二维图像时，用于在此位置下对所述检测相机的透镜光心到所述X"Y"平面之间的垂直距离H进行测量，同时用于对此检测相机的成像平面与该X"Y"平面之间的平行度进行检测。

作为进一步优选地，对于各个所述平行光源组件而言，其光轴与所述XY平面之间的初始投影角α优选通过下式来计算获得：

α＝sin^-1(d/d₀)

式中，d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；d₀表示所述X"Y"平面上所形成的明暗相间的平行条纹中，彼此相邻的两个条纹之间的中心距。

作为进一步优选地，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，两者在待测曲面上所投射形成的条纹彼此平行且构成第一条纹组；对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，两者在待测曲面上所投射形成的条纹同样彼此平行且构成第二条纹组；此外，所述第一条纹组与所述第二条纹组之间相互垂直。

作为进一步优选地，对于所述透射光栅各自具备的透光缝隙中的透光宽缝与透光窄缝而言，它们的位置按n位二进制方式进行编码排序，并优选对这n×2ⁿ条透光缝进行编码；其中n的取值根据所述检测相机的视场大小来确定，并确保使得所述检测相机所获得的图像中条纹数应满足m>3n-1；此外，所述透光窄缝d₂与所述透光宽缝d₁之间的宽窄比优选满足公式d₁/d₂≥2。

作为进一步优选地，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的X轴坐标x优选分别通过下列公式计算得出：

x＝x’×(D×tana_x)/(f-x’tana_x)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；x′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的X′轴坐标值。

作为进一步优选地，对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的Y轴坐标y优选分别通过下列公式计算得出：

y＝y’×(D×tana_y)/(f-y’tana_y)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；y′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的Y′轴坐标值。

作为进一步优选地，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_x优选分别通过下列公式计算得出：

h_x＝|x–{(H cota_x-D)±(k_x×d/sina_x)}|×tana_x

式中，x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的X轴坐标值；H表示当所述检测相机可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_x为自然数，且从沿X轴最中心的条纹开始计数。

作为进一步优选地，对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_y优选分别通过下列公式计算得出：

h_y＝|y–{(H cota_y-D)±(k_y×d/sina_y)}|×tana_y

式中，y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的Y轴坐标值；H表示当所述检测相机可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_y为自然数，且从沿Y轴最中心的条纹开始计数。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的曲面高度信息测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一：首先利用所述四个距离传感器分别测量其到所述X"Y"平面的距离信息，根据所得距离信息来调整X"Y"平面位姿，使其与所述检测相机成像平面保持平行；同时，对所述距离传感器与所述检测相机光心之间在Z轴方向的差值进行补偿，然后测量并确定所述检测相机的光心到所述X"Y"平面之间的的垂直距离H；

步骤二：使用所述一组平行光源组件在待测曲面上投射出宽窄相间的明亮条纹，并采用所述电机带动该平行光源组件旋转，使得条纹缓慢扫过整个待测区域；所述检测相机采图，并记下各图像的投影角α；接着，依次使用剩余三组所述平行光源组件，重复上述步骤，分别得到在所述四组平行光源组件所投射的条纹下待测区域的四组图像；

步骤三：针对所得到的四组图像，分别计算得到各个所述平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P在Z轴方向的变形量，进而通过加权求平均值的方式来计算求出实际变形量；

步骤四：移动测量机架，依次遍历完整个待测曲面，重复进行步骤一至步骤三，直至获得整个待测曲面所有点的高度信息为止，由此完成整体的曲面高度测量过程。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明中通过对曲面高度信息测量装置的整体构造布局重新进行了设计，尤其是一些关键组件如测量机架、平行光源组件和检测相机的具体组成结构和设置方式作出改进，相应不仅能够紧使用单个相机即可完成曲面高度信息的整体测量过程，而且与现有设备相比其结构更为紧凑合理、便于操控，而且显著提高了最终可获得的测量精度；

2、本发明中各组件的参数选择可根据所需测量精度进行选择，相应在实际应用中具备适用性强和便于根据工况高效操作的特定；例如，当测量精度要求不高时，可通过增大按照本发明的平行光源组件的条纹间距的方式来进行操作，由此减少测量数据，提高测量速度，同时还有利于增大相机视场范围，大大提高了测量速度；而当测量精度要求高时，则可通过减小条纹间距的方式来进行操作，测量数据增多，精度提高；同时还有利于减小相机视场范围，增大图像像素，同样大大提高了测量精度；

3、本发明中还结合平行光源组件的构造特点对其条纹编码方式进行了优化设计，相应使得在图像处理过程中能够快速辨别各条纹，加快了检测速度；此外，本发明中成组的平行光源可形成多组条纹，不仅避免了曲面变化大导致一侧条纹投射不到的问题，还可对同一点多次测量，通过计算得到更为精确的高度信息；

4、本发明中还结合以上装置构造设计的特点，进一步对各个测量点在XYZ多轴上的坐标值及变形量计算公式作出了针对性测量，实际测试表明不仅可简化运算处理过程，可以计算获得数据与实际数据相比具备精度高、便于后续处理等特点，因而与传统处理算法相比可显著提高曲面高度测量的最终精度。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的基于单目视觉的曲面高度信息测量装置的整体构造示意图；

图2是图1中所示测量机架及安装其上的平行光源组件、距离传感器和检测相机的具体布置示意图；

图3是用于示范性说明为了便于后期计算处理而构建的多个坐标系的示意图；

图4是按照本发明优选实施例设计的平行光源组件的组成结构示意图；

图5是用于示范性说明平行光源组件投射形成多个条纹的原理图；

图6是按照本发明优选实施可采用的、对平行光源组件所形成的多个条纹进行编码处理所获得的示意图；

图7是用于解释说明以检测相机为中心、运用三角测量几何原理执行曲面高度信息测量的示意图；

图8是用于示范性说明按照本发明的上述测量装置在X"Y"平面上投射形成的条纹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的基于单目视觉的曲面高度信息测量装置的整体构造示意图，图2是图1中所示测量机架及安装其上的平行光源组件、距离传感器和检测相机的具体布置示意图。如图1和图2所示，该纠偏器主要包括测量机架10、平行光源组件30、检测相机20和距离传感器40等组件，下面将对其逐一进行具体说明。

测量机架10在本发明可设计为呈水平布置的对称十字框架的形式，并作为其他组件的安装基础。

平行光源组件30的数量为四个，它们各自安装在所述测量机架10的四个相同臂结构的末端下方，并分别可经由配套的电机50来驱动发生旋转以使其投影角发生改变，其中，电机50固定于测量机架上，而平行光源组件30与电机轴相连，即电机50可带动平行光源组件30旋转；更具体地，如图2中所示。作为本发明的关键改进之一，各个平行光源组件分别均由安装盒31、以及依次分设在此安装盒内部的平行光管32和透射光栅33共同组成，其中该平行光管32用于向所述透射光栅33发射单色的平行光束，该透射光栅33上则刻有宽窄相间的两种平行刻痕也即具备宽窄相间的透光缝隙，由此使得所述平行光管32发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹。

同时参看图4可见，平行光源组件30中，平行光管32与透射光栅33固定于安装盒30内。平行光管32可产生平行的单色光束；透射光栅33上刻有如图5所示不透光平行刻痕，从而在刻痕之间形成宽窄不同的透光缝。透光缝中心线到相邻刻痕中心线之间距离为光栅常数d，透光宽缝宽度为d₁，透光窄缝宽度为d₂。平行光管32发出的平行光经过透射光栅33后在待测曲面上形成宽窄不同的条纹。为保证不产生光的衍射现象，平行光管32的单色光波长λ应根据透光缝宽度来进行选取，但必须小于透光缝宽度，即λ<min{d₁,d₂}。再根据精度要求进行选择，波长λ越小，衍射现象越不明显。

此外，按照本发明的一个优选实施例，如图6所示，平行光源组件30产生的条纹光束可在X"Y"平面上形成多个条纹，其中用“1”表示细条纹，用“0”表示粗条纹。通过此种编码方式，即可辨别检测相机20拍摄图像中的待测曲面上条纹与X"Y"平面上条纹的对应关系。当检测相机20拍摄到待测曲面上条纹为“001010011”，可能结果有三种：“0”“010”“100”“11”、“00”“101”“001”“1”和“001”“010”“011”，分别对应序号为“x₁23x₂”、“x₃51x₄”、“123”。其中，x₁不为1且x₂大于4，故第一组错误；第二组序列也错误；因此只剩第三组序列，且符合编码规则。视场中每条条纹均能正确识别。

作为本发明的另一关键改进，检测相机20的数量仅为一个，它固定安装在所述测量机架10的中央下方，并与各个所述平行光源组件30相配合，用于对待测曲面上所形成的平行条纹执行采图以获得所需的二维图像。

此外，如图3示范性所示，可以该检测相机20的透镜光心为原点来建立一个相机直角坐标系XYZ，其中该相机指教坐标系的Z轴与所述检测相机20的光轴重合且指向该检测相机的下方，其X轴、Y轴满足右手定则，并且四个所述平行光源组件30中的两个保持对称地处于此X轴上，剩余两个同样保持对称地处于此Y轴上；类似地，以所述检测相机20的成像平面的中心为原点建立一个图像直角坐标系X′Y′Z，其中该图像直角坐标系的Z轴与所述相机指教坐标系的Z轴相重合，其X′轴、Y′轴同样满足右手定则；接着，在所述检测相机20的正下方建立一个参考直角坐标系X"Y"Z，其中该参考直角坐标系的Z轴与所述检测相机的光轴重合，其X"轴、Y"轴同样满足右手定则，并且它的X"Y"平面保持与所述相机直角坐标系的XY平面相互平行。

重新参看图2，四个距离传感器40分别对应于各个所述平行光源组件30而设置，并且当通过调整所述测量机架10的高度使得所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，用于在此位置下对所述检测相机20的透镜光心到所述X"Y"平面之间的垂直距离H进行测量，同时用于对此检测相机20的成像平面与该X"Y"平面之间的平行度进行检测。所述电机50的电机轴与检测相机20光心同在XY平面的平行面上，且平行光管32的透镜光心在电机轴所在直线上，从而保证在电机50转动改变投影角α角度时，平行光管32透镜光心与检测相机20光心的相对位置不变，故其水平距离D保持不变。

下面将更具体地解释按照本发明的测量工艺过程。

首先，如图7所示，显示了以检测相机为中心、运用三角测量几何原理执行曲面高度信息测量的示意图。其中，仅画出在X轴上的平行光源组件30，其在待测曲面上所投射条纹与Y轴平行，故只需其X轴坐标信息；而在Y轴上的两组平行光源组件30，其在待测曲面上所投射条纹与X轴平行，故只需其Y轴坐标信息。由平行光管32发出的平行光束经过透射光栅33后在待测曲面上形成明暗相间的编码条纹，覆盖整个待测区域。以其中某一条纹进行阐述，该条纹中心线经过点P。此时，位于X轴上的平行光源组件30光轴与XY平面之间呈投影角α。

假设点P相机坐标为(x,y,z)，检测相机20所拍得二维图像中点P的像坐标P′为(x′,y′)。则在X轴上的平行光源组件30在待测曲面上所投射条纹上点P在X轴方向上坐标为：

x＝x’×(D×tana_x)/(f-x’tana_x) (1-1)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；x′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的X′轴坐标值。

而在Y轴上的平行光源组件30在待测曲面所投射条纹上点P在Y轴方向上坐标为：

y＝y’×(D×tana_y)/(f-y’tana_y) (1-2)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；y′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的Y′轴坐标值。

图8是用于示范性说明按照本发明的上述测量装置在X"Y"平面上投射形成的条纹示意图。进一步地，还需要分别求出处于所述X轴和Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量。

如图8中所示，仅画出在X轴上的平行光源组件30在待测曲面上所投射条纹，其与Y轴平行，故只需其X轴坐标信息；而在Y轴上的平行光源组件30在待测曲面上所投射条纹与X轴平行，故只需其Y轴坐标信息。假设在X轴上的平行光源组件30中透射光栅33某一条纹为中心条纹，则所投射条纹上点在X轴方向上坐标为：

x₀＝H×cota_x-D (1-3)

而在Y轴上的平行光源组件30中透射光栅33某一条纹为中心条纹，则所投射条纹上点在Y轴方向上坐标为：

y₀＝H×cota_y-D (1-4)

由于透射光栅33上各条纹为等间距(即光栅常数d)，则在X轴上的平行光源组件30在X"Y"平面上投射各条纹的X轴坐标为：

x_k＝x₀±(k×d/sina_x) (1-5)

式中，d为光栅常数；k为距离中心零条纹的第k条条纹，X轴正方向为+，负方向为-；

而则在Y轴上的平行光源组件30在X"Y"平面上投射各条纹的Y轴坐标为：

y_k＝y₀±(k×d/sina_y) (1-6)

联合以上计算式，相应地可求得，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_x优选分别通过下列公式计算得出：

h_x＝|x–{(H cota_x-D)±(k_x×d/sina_x)}|×tana_x

式中，x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的X轴坐标值；H表示当所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_x为自然数，且从沿X轴最中心的条纹开始计数。

类似地，对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_y优选分别通过下列公式计算得出：

h_y＝|y–{(H cota_y-D)±(k_y×d/sina_y)}|×tana_y

式中，y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的Y轴坐标值；H表示当所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_y为自然数，且从沿Y轴最中心的条纹开始计数。

以上的曲面高度信息测量工艺方法可概括如下主要步骤：

步骤一：首先利用所述四个距离传感器40分别测量其到所述X"Y"平面的距离信息，根据所得距离信息来调整X"Y"平面位姿，使其与所述检测相机20成像平面保持平行；同时，对所述距离传感器40与所述检测相机20光心之间在Z轴方向的差值进行补偿，然后测量并确定所述检测相机20的光心到所述X"Y"平面之间的的垂直距离H；

步骤二：使用所述一组平行光源组件30在待测曲面上投射出宽窄相间的明亮条纹，并采用所述电机50带动该平行光源组件30旋转，使得条纹缓慢扫过整个待测区域；所述检测相机20采图，并记下各图像的投影角α；接着，依次使用剩余三组所述平行光源组件30，重复上述步骤，分别得到在所述四组平行光源组件30所投射的条纹下待测区域的四组图像；

步骤三：针对所得到的四组图像，分别计算得到各个所述平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P在Z轴方向的变形量，进而通过加权求平均值的方式来计算求出实际变形量；

步骤四：移动测量机架10，依次遍历完整个待测曲面，重复进行步骤一至步骤三，直至获得整个待测曲面所有点的高度信息为止，由此完成整体的曲面高度测量过程。

综上，按照本发明的曲面高度信息测量装置不仅能够紧使用单个相机即可完成曲面高度信息的整体测量过程，而且与现有设备相比其结构更为紧凑合理、便于操控，而且显著提高了最终可获得的测量精度；同时它还应用范围更为广泛，便于在多种工况下高效率调整操作参数，因而更加适用于高效率高精度的各类曲面高度测量应用场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置，该装置包括测量机架(10)、平行光源组件(30)、检测相机(20)和距离传感器(40)，其特征在于：

所述测量机架(10)呈水平布置的对称十字框架的形式，并作为其他组件的安装基础；

所述平行光源组件(30)的数量为四个，它们各自安装在所述测量机架(10)的四个相同臂结构的末端下方，并分别可经由配套的电机(50)来驱动发生旋转以使其投影角发生改变；各个平行光源组件分别均由安装盒(31)、以及依次分设在此安装盒内部的平行光管(32)和透射光栅(33)共同组成，其中该平行光管(32)用于向所述透射光栅(33)发射平行的单色光束，该透射光栅(33)上则刻有不透光平行刻痕且在刻痕之间形成宽窄不同的透光缝也即透光宽缝和透光窄缝，由此使得所述平行光管(32)发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹；

所述检测相机(20)的数量仅为一个，它固定安装在所述测量机架(10)的中央下方，并与各个所述平行光源组件(30)相配合，用于对待测曲面上所形成的平行条纹执行采图以获得所需的二维图像；

此外，以该检测相机(20)的透镜光心为原点来建立一个相机直角坐标系XYZ，其中该相机直角坐标系的Z轴与所述检测相机(20)的光轴重合且指向该检测相机的下方，其X轴、Y轴满足右手定则，并且四个所述平行光源组件(30)中的两个保持对称地处于此X轴上，剩余两个同样保持对称地处于此Y轴上；类似地，以所述检测相机(20)的成像平面的中心为原点建立一个图像直角坐标系X′Y′Z，其中该图像直角坐标系的Z轴与所述相机直角坐标系的Z轴相重合，其X′轴、Y′轴同样满足右手定则；接着，在所述检测相机(20)的正下方建立一个参考直角坐标系X"Y"Z，其中该参考直角坐标系的Z轴与所述检测相机的光轴重合，其X"轴、Y"轴同样满足右手定则，并且它的X"Y"平面保持与所述相机直角坐标系的XY平面相互平行；

所述距离传感器(40)分别对应于各个所述平行光源组件(30)而设置，并且当通过调整所述测量机架(10)的高度使得所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，用于在此位置下对所述检测相机(20)的透镜光心到所述X"Y"平面之间的垂直距离H进行测量，同时用于对此检测相机(20)的成像平面与该X"Y"平面之间的平行度进行检测；所述电机(50)的电机轴与所述检测相机(20)的光心一同处在所述XY平面的平行面上，并且所述平行光管(32)的透镜光心处在所述电机轴所在直线上，从而保证当所述电机(50)转动以改变投影角的角度时，所述平行光管(32)的透镜光心与所述检测相机(20)的光心之间保持相对位置不变；

此外，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，两者在待测曲面上所投射形成的条纹彼此平行且构成第一条纹组；对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，两者在待测曲面上所投射形成的条纹同样彼此平行且构成第二条纹组，并且所述第一条纹组与所述第二条纹组之间相互垂直；对于所述透光宽缝与透光窄缝而言，它们的位置按n位二进制方式进行编码排序，并对这n×2ⁿ条透光缝进行编码，其中n的取值根据所述检测相机的视场大小来确定，并确保使得所述检测相机所获得的图像中条纹数m应满足m>3n-1；此外，所述透光窄缝d₂与所述透光宽缝d₁之间的宽窄比满足公式d₁/d₂≥2。

2.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置，其特征在于，对于各个所述平行光源组件(30)而言，其光轴与所述XY平面之间的初始投影角α通过下式来计算获得：

α＝sin^-1(d/d₀)

式中，d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；d₀表示所述X"Y"平面上所形成的明暗相间的平行条纹中，彼此相邻的两个条纹之间的中心距。

3.如权利要求2所述的一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置，其特征在于，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的X轴坐标x分别通过下列公式计算得出：

x＝x’×(D×tana_x)/(f-x’tana_x)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；x′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的X′轴坐标值；

而对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的Y轴坐标y分别通过下列公式计算得出：

y＝y’×(D×tana_y)/(f-y’tana_y)

式中，D表示各个所述平行光源组件的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；f为所述检测相机的焦距；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；y′分别表示在所述检测相机所获得的二维图像中，与所述点P保持对应的像素点P′的Y′轴坐标值。

4.如权利要求3所述的一种基于单目视觉的曲面高度信息测量装置，其特征在于，对于处于所述X轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_x分别通过下列公式计算得出：

h_x＝|x–{(H cota_x-D)±(k_x×d/sina_x)}|×tana_x

式中，x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的X轴坐标值；H表示当所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_x分别表示位于所述X轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_x表示位于所述X轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_x为自然数，且从沿X轴最中心的条纹开始计数；

而对于处于所述Y轴上的两个所述平行光源组件而言，其在待测曲面上所形成条纹上的任一点P在Z轴方向上的变形量h_y分别通过下列公式计算得出：

h_y＝|y–{(H cota_y-D)±(k_y×d/sina_y)}|×tana_y

式中，y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P的Y轴坐标值；H表示当所述检测相机(20)可获得清晰的所述二维图像时，该检测相机的透镜中心到所述X"Y"平面之间的垂直距离；a_y分别表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件的光轴与所述XY平面之间的投影角；D表示各个所述平行光源的平行光管的透镜光心到所述检测相机的透镜光心之间的距离；d表示各个所述平行光源组件的透射光栅自身具备的光栅常数；此外，k_y表示位于所述Y轴上的各个平行光源组件在待测曲面上所投射形成的多个平行条纹中包含P点的条纹的序号，k_y为自然数，且从沿Y轴最中心的条纹开始计数。

5.一种采用如权利要求4所述的装置来执行曲面高度信息测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一：首先利用所述四个距离传感器(40)分别测量其到所述X"Y"平面的距离信息，根据所得距离信息来调整X"Y"平面位姿，使其与所述检测相机(20)成像平面保持平行；同时，对所述距离传感器(40)与所述检测相机(20)光心之间在Z轴方向的差值进行补偿，然后测量并确定所述检测相机(20)的光心到所述X"Y"平面之间的垂直距离H；

步骤二：使用所述一组平行光源组件(30)在待测曲面上投射出宽窄相间的明亮条纹，并采用所述电机(50)带动该平行光源组件(30)旋转，使得条纹缓慢扫过整个待测区域；所述检测相机(20)采图，并记下各图像的投影角α；接着，依次使用剩余三组所述平行光源组件(30)，重复上述步骤，分别得到在所述四组平行光源组件(30)所投射的条纹下待测区域的四组图像；

步骤三：针对所得到的四组图像，分别计算得到各个所述平行光源组件在待测曲面上所投射形成条纹上的任一点P在Z轴方向的变形量，进而通过加权求平均值的方式来计算求出实际变形量；

步骤四：移动测量机架10，依次遍历完整个待测曲面，重复进行步骤一至步骤三，直至获得整个待测曲面所有点的高度信息为止，由此完成整体的曲面高度测量过程。