CN108362228B - 一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置及测量方法，包括双目立体视觉***，所述双目立体视觉***由一个左摄像机与右摄像机共同构成；在左摄像机与右摄像机所在轴线的正中心位置放置第一光机和第二光机；其中，第一光机为投影白光的数字投影仪，用于光栅模式测量；第二光机为投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪，用于生成扫描式激光光刀；其步骤为：1.光栅模式下扫描并得到视差图及视差质量图；2,光刀模式下扫描得到视差图及视差质量图；3根据质量图将两个视差图融合并在双目立体视觉***下重建躯体轮廓。可以快速实现不同表面特性物体三维轮廓测量。

Description

一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学测量方法，特别是一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量方法。
背景技术：
三维扫描技术应用越来越广泛，为了实现物体快速精确的三维测量，通常采用多摄像机拍摄的立体视觉方法和条纹投影的结构光方法。传统的相移轮廓术法能够测量任何曲面形状的物体，测量范围广，但该方法存在标定困难，反射率问题；双目立体视觉法测量***简单但是存在匹配难的问题。而将这两种方法结合起来，利用相移轮廓术法测量出的绝对相位值辅助立体视觉法进行特征匹配，不仅解决了立体视觉“匹配难”的问题，另外还简化了***结构，提高了测量精度。但是该方法测量对象具有局限性，不能测量高反物体，比如金属表面，高反表面不同角度反射率不均匀，造成局部过曝光，无法测量；
线结构光测量法是一种传统三维测量方法，属于结构光主动测量技术。线结构光测量法，又称光刀法，是以一条或多条光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对于金属等高反表面同样可以进行测量等优点，用于多领域工业检测场合。例如，其对诸如航空发动机叶片、汽轮机叶片、伞形齿轮、螺旋齿轮等复杂精密零件的轮廓进行测量有着重要意义。然而其缺点在于扫描需要运动机构配合，降低了测量效率及精度。此外，结构光测量法的测量精度依赖于激光器所投影光刀的宽度及亮度，为提高精度势必需要更高的成本。
目前，在大多数光学三维测量***里，光栅法和光刀法必须用两种测量***实现。光栅法一般采用数字投影仪进行白光投影，无法实现光刀扫描；光刀法结构包括激光器及运动机构，结构复杂。因而难以通过一套简单且低成本的***实现两种方法的混合式测量。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种光刀与光栅结合的三维测量方法，该测量***采用两个光机，一个光机为光栅模式下投影白光的数字投影仪，另一个为光刀模式下投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪，可以快速实现不同表面特性物体三维轮廓测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置，其特征在于：左摄像机与右摄像机共同构成双目立体视觉***；左摄像机与右摄像机所在轴线的正中心位置放置两个光机。其中，第一光机为投影白光的数字投影仪，用于光栅模式测量；第二光机为投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪，用于光刀模式测量。测量***共有两个模式：模式一是光栅测量模式；模式二是光刀测量模式。
所述的第二光机为微振镜激光投影仪，用于生成扫描式激光光刀，技术如下：
第一步，设计***工作参数。根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定。
第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有三种。1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦(或余弦)波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定。2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种梯形电流信号。其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定。3)激光器的驱动信号，为可调节的恒定的电流。其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号。
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光。利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光，线结构光的长度与微振镜的偏转角度有关。利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动。激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光。
第四步，生成自适应的线结构光。相机通过采集线激光的图片并进行分析，可分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量方法，步骤1，在模式一(光栅测量)中，通过第一光机与左右相机投影并采集光栅图片，将采集到的光栅图片进行极线校正求出图片中每点相位，对相位去包裹并利用相位相同进行逐行匹配求视差，得到视差图。对视差图求解出其质量图，质量图反映视差图每个像素点的可靠程度，设定阈值，去除视差图中质量不好(即噪声干扰项较多，视差值不可靠)区域。若视差图整体质量良好，则直接跳转至步骤4.
步骤2，在模式二(光刀测量)中，通过第二光机与左右相机投影并采集光刀图片，对图片进行极线校正并提取出每条光刀中心像素坐标进行逐行匹配求视差图。求解出其质量图，并设定阈值，去除视差图中质量不好区域。
步骤3，根据质量图融合两个模式下的视差图。对于同一个像素点，若在模式一与模式二下的质量指数均符合要求，优先保留模式一的视差值。
步骤4，通过视差图进行双目立体视觉***下的三维重建。
所述步骤1与步骤2：光栅法在摄像机拍摄的变形条纹图中，每一点都对应特定的绝对相位值，结合绝对相位和几何极线约束，快速的实现左图像、右图像对应点的亚像素匹配，经过亚像素匹配之后，就从左右两幅绝对相位图中得到各个点的视差dw；光刀法则利用灰度重心法求出该光刀的重心位置,即为被测物体在该处的轮廓点位置，为保证两幅图有序求视差，需对两幅图像中的对应光刀或光点进行匹配编号，实现快速匹配求出视差。
根据获取的视差图，再经摄像机标定内外参数，利用双目立体视觉重构出空间点的三维坐标；例如双目立体视觉利用视差原理，根据光学三角法获取被测物体的深度信息；求出的视差dw带入(1)式就能重构出空间点的三维坐标；由三角关系可得P的三维世界空间坐标：
Figure BDA0001577903740000051
式中f是主距，b是基线长度；一空间点P的世界坐标为(xw,yw,zw)，P在摄像机成像平面中的坐标分别为P1(u1,v1)和P2(u2,v2)。
在模式一中(光栅测量)将采集的光栅图片进行极限校求出图片中每点相位并进行相位去包裹利用相位相同进行逐行匹配求视差，通过视差图与双目立体视觉标定结果对物体进行三维重建；
在模式二中(光刀测量)对计算机拍摄的摄像机光刀图片进行极线校正并提取出每条光刀中心像素坐标进行逐行匹配求视差图，通过视差图与双目立体视觉标定结果对物体进行三维重建；
所述步骤1与步骤2：采取SVD分解分离噪声的方式识别出视差图质量不好(即噪声干扰大)区域。
对视差图进行SVD分解：
Figure BDA0001577903740000052
前N项为视差图主成分，包含大部分有效信息；外界噪声的干扰类似于白噪声，在后m-N项中被保留。
去除前N项：
Figure BDA0001577903740000061
Dis_Noise仅保留噪声，将其通过阈值T二值化得到的模板图像即为视差图的质量图，为1则此处质量差需去除，为0则质量好则保留。
附图说明：
图1为本发明的工作原理图：其中，A为第一光机(投影白光的数字投影仪),B为第二光机(投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪)，C为右相机，D为左相机。
图2为第二光机的工作原理图：其中，1为激光器，2为准直透镜，3为微振镜，4为投影平面，5为控制激光器触发电路，7为控制微振镜触发电路，6为同步电路，协同控制激光器触发电路5与控制微振镜触发电路7。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1，一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置：左摄像机与右摄像机共同构成双目立体视觉***；左摄像机与右摄像机所在轴线的正中心位置放置两个光机。其中，第一光机为投影白光的数字投影仪，用于光栅模式测量；第二光机为投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪，用于光刀模式测量。测量***共有两个模式：模式一是光栅测量模式；模式二是光刀测量模式。
如图2为第二光机(微振镜激光投影仪)，用于生成扫描式激光光刀，技术如下：
第一步，设计***工作参数。根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定。
第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有三种。1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦(或余弦)波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定。2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种梯形电流信号。其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定。3)激光器的驱动信号，为可调节的恒定的电流。其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号。
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光。利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光，线结构光的长度与微振镜的偏转角度有关。利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动。激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光。
第四步，生成自适应的线结构光。相机通过采集线激光的图片并进行分析，可分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
所述的基于双光机的光刀光栅混合式三维测量方法，其步骤在于：
步骤1，在模式一(光栅测量)中，通过第一光机与左右相机投影并采集光栅图片，将采集到的光栅图片进行极线校正求出图片中每点相位，对相位去包裹并利用相位相同进行逐行匹配求视差，得到视差图。对视差图求解出其质量图，质量图反映视差图每个像素点的可靠程度，设定阈值，去除视差图中质量不好(即噪声干扰项较多，视差值不可靠)区域。若视差图整体质量良好，则直接跳转至步骤4.
步骤2，在模式二(光刀测量)中，通过第二光机与左右相机投影并采集光刀图片，对图片进行极线校正并提取出每条光刀中心像素坐标进行逐行匹配求视差图。求解出其质量图，并设定阈值，去除视差图中质量不好区域。
步骤3，根据质量图融合两个模式下的视差图。对于同一个像素点，若在模式一与模式二下的质量指数均符合要求，优先保留模式一的视差值。
步骤4，通过视差图进行双目立体视觉***下的三维重建。
所述步骤1与步骤2：光栅法在摄像机拍摄的变形条纹图中，每一点都对应特定的绝对相位值，结合绝对相位和几何极线约束，快速的实现左图像、右图像对应点的亚像素匹配，经过亚像素匹配之后，就从左右两幅绝对相位图中得到各个点的视差dw；光刀法则利用灰度重心法求出该光刀的重心位置,即为被测物体在该处的轮廓点位置，为保证两幅图有序求视差，需对两幅图像中的对应光刀或光点进行匹配编号，实现快速匹配求出视差。
根据获取的视差图，再经摄像机标定内外参数，利用双目立体视觉重构出空间点的三维坐标；例如双目立体视觉利用视差原理，根据光学三角法获取被测物体的深度信息；求出的视差dw带入(1)式就能重构出空间点的三维坐标；由三角关系可得P的三维世界空间坐标：
Figure BDA0001577903740000091
式中f是主距，b是基线长度；一空间点P的世界坐标为(xw,yw,zw)，P在摄像机成像平面中的坐标分别为P1(u1,v1)和P2(u2,v2)。
在模式一中(光栅测量)将采集的光栅图片进行极限校求出图片中每点相位并进行相位去包裹利用相位相同进行逐行匹配求视差，通过视差图与双目立体视觉标定结果对物体进行三维重建；
在模式二中(光刀测量)对计算机拍摄的摄像机光刀图片进行极线校正并提取出每条光刀中心像素坐标进行逐行匹配求视差图，通过视差图与双目立体视觉标定结果对物体进行三维重建；
所述步骤1与步骤2：采取SVD分解分离噪声的方式识别出视差图质量不好(即噪声干扰大)区域。
对视差图进行SVD分解：
Figure BDA0001577903740000101
前N项为视差图主成分，包含大部分有效信息；外界噪声的干扰类似于白噪声，在后m-N项中被保留。
去除前N项：
Figure BDA0001577903740000102
Dis_Noise仅保留噪声，将其通过阈值T二值化得到的模板图像即为视差图的质量图，为1则此处质量差需去除，为0则质量好则保留。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于双光机的光刀光栅混合式三维测量装置，其特征在于：包括双目立体视觉***，所述双目立体视觉***由一个左摄像机与右摄像机共同构成；在左摄像机与右摄像机所在轴线的正中心位置放置第一光机和第二光机；其中，第一光机为投影白光的数字投影仪，用于光栅模式测量；第二光机为投影扫描式激光光刀的微振镜激光投影仪，用于生成扫描式激光光刀；所述光刀光栅混合式三维测量装置共有两个工作模式：模式一是光栅测量模式，采用第一光机；模式二是光刀测量模式，采用第二光机；
该装置按照如下步骤工作：
步骤(1)，在模式一中，通过第一光机与左摄像机与右摄像机投影并采集光栅图片，将采集到的光栅图片进行极线校正求出图片中每点相位，对相位去包裹并利用相位相同进行逐行匹配求视差，得到视差图；对视差图求解出其质量图，质量图反映视差图每个像素点的可靠程度，设定阈值，去除视差图中质量不好区域；若视差图整体质量良好，则直接跳转至步骤(4)；
步骤(2)，在模式二中，通过第二光机与左摄像机与右摄像机投影并采集光刀图片，对图片进行极线校正并提取出每条光刀中心像素坐标进行逐行匹配求视差图；求解出其质量图，并设定阈值，去除视差图中质量不好区域；
步骤(3)，根据质量图融合两个模式下的视差图；对于同一个像素点，若在模式一与模式二下的质量指数均符合要求，优先保留模式一的视差值；
步骤(4)，通过视差图进行双目立体视觉***下的三维重建。
2.如权利要求1所述光刀光栅混合式三维测量装置，其特征在于，所述步骤(1)中：采取SVD分解分离噪声的方式识别出视差图质量不好的区域；
对视差图进行SVD分解：
Figure FDA0002676694040000011
前N项为视差图主成分，包含大部分有效信息；外界噪声的干扰类似于白噪声，在后m-N项中被保留；
去除前N项：
Dis_Noisem*n＝σN+1UN+1VN+1 T+σN+2UN+2VN+2 T+σN+3UN+3VN+3 T+... (2)；
Dis_Noise仅保留噪声，将其通过阈值T二值化得到的模板图像即为视差图的质量图，为1则此处质量差需去除，为0则质量好则保留。
3.基于权利要求1所述光刀光栅混合式三维测量装置的光刀光栅混合式三维测量方法，其特征在于，按照如下步骤：
第一步，设计***工作参数；根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定；
第二步，生成驱动信号；涉及的驱动信号有三种；
1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦或余弦波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定；
2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种梯形电流信号；其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定；
3)激光器的驱动信号，为可调节的恒定的电流；其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定；上述三种驱动信号均为模拟信号；
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光；利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光，线结构光的长度与微振镜的偏转角度有关；利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动；激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光；
第四步，生成自适应的线结构光；摄像机通过采集线激光的图片并进行分析，可分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
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