RU2448323C1 - Method for optical measurement of surface form - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method involves projection of a set of images with a given structure of light flux onto the measured surface, recording the set of corresponding images of the surface when viewed at an angle different from the angle of projection of the set of images, and determining the form of the measured surface based on the recorded images. Re-reflecting areas of the measured surface, illumination at the angle of projection of the set of images of which results in ambient illumination of other areas of the measured surface, are determined first. Upon projection of the set of images, the re-reflecting areas darken and the form of the illuminated areas of the surface is determined. Further, by projecting the set of images with given structure of light flux onto previously dark re-reflecting areas, the form of the surface on the re-reflecting areas is determined.

EFFECT: reduced probability of obtaining false or distorted measurement values and wider range of measured surfaces.

3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области бесконтактных оптических измерений и может быть применено в тех отраслях народного хозяйства, где имеется потребность оперативного измерения, фиксации и сравнения геометрических параметров, в частности формы и пространственного положения поверхностей объектов, например в робототехнике (системы технического зрения), машиностроении (включая задачи прототипирования), медицине (ортопедия), архитектуре, скульптуре, дизайне, при конструировании и моделировании одежды.The invention relates to the field of non-contact optical measurements and can be applied in those sectors of the economy where there is a need for on-line measurement, fixation and comparison of geometric parameters, in particular the shape and spatial position of the surfaces of objects, for example, in robotics (vision systems), engineering (including prototyping tasks), medicine (orthopedics), architecture, sculpture, design, in the design and modeling of clothes.

Под измерением формы поверхности понимается восстановление функции z(x, y), где x, y - координаты точки объекта вдоль некоторой опорной плоскости, a z - расстояние между этой точкой поверхности и опорной плоскостью. Эта же задача в литературе также называется определением (измерением) рельефа поверхности, оконтуриванием поверхности, профилометрией поверхности или топографической съемкой. Под измерением пространственного положения поверхности подразумевается определение абсолютных пространственных координат точек поверхности объекта в пространстве измерительного устройства.By measuring the shape of the surface we mean the restoration of the function z (x, y), where x, y are the coordinates of the point of the object along some reference plane, and z is the distance between this point of the surface and the reference plane. The same problem in the literature is also called the determination (measurement) of the surface topography, contouring of the surface, surface profilometry or topographic survey. Under the measurement of the spatial position of the surface is meant the determination of the absolute spatial coordinates of the points of the surface of the object in the space of the measuring device.

Поверхность, форма которой подлежит измерению, далее для краткости будем называть «измеряемая поверхность».The surface, the shape of which is to be measured, hereinafter for brevity we will call the “measured surface”.

Известно множество способов, в которых световой поток с известным распределением интенсивности освещенности (полосы, пятна, решетки или специальные значки) проецируют на измеряемую поверхность, а затем исследуют изображение освещенной таким образом поверхности, полученное с иного направления, чтобы по деформации освещающего распределения вычислить ее форму. Частным их случаем являются способы, в которых изображение объекта, освещаемого через набор полос с синусоидальным распределением интенсивности освещенности, анализируется с использованием методов фазовой модуляции или фазового сдвига. Для получения подобного распределения интенсивности освещенности используют выходное поле лазерного интерферометра либо освещение проектором через специально подготовленный слайд.There are many ways in which a luminous flux with a known distribution of light intensity (stripes, spots, gratings or special icons) is projected onto the surface to be measured, and then the image of the surface illuminated in this way, obtained from a different direction, is examined to calculate its shape from the deformation of the illuminating distribution . A particular case of these are methods in which the image of an object illuminated through a set of strips with a sinusoidal distribution of light intensity is analyzed using phase modulation or phase shift methods. To obtain such a distribution of the intensity of illumination, the output field of the laser interferometer or illumination by the projector through a specially prepared slide is used.

Известен способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта с использованием одного набора линий, предназначенный для измерения трехмерных координат точек на контурах поверхности объекта (патент США №5612786, НКИ 356/376, опубл. 18.03.1997 г.). В рамках этого способа помещают объект в поле зрения оптической системы, состоящей из проектора и камеры, проецируют на объект прозрачный слайд с одним набором полос, интенсивность которых меняется по синусоидальному закону, получают предварительное фазовое распределение, содержащее фазы каждой из множества ячеек, находящихся в соответствии с точками объекта, после чего проводят процедуру доопределения распределения фаз до полного фазового угла (phase unwrapping) и преобразуют набор восстановленных фаз в набор трехмерных координат упомянутого объекта для каждой из ячеек, используя набор уравнений, содержащий фиксированные калибровочные параметры, значения которых устанавливаются во время предварительной калибровочной процедуры. Процедура доопределения полного фазового угла, иначе определяемая как восстановление номера полосы, выполняется путем минимизации приращений полных фазовых углов в соседних ячейках исходя из предположения о гладкости измеряемой поверхности и исключении резких скачков координат ее соседних точек.The known method of optical measurement of the surface shape of a three-dimensional object using one set of lines, designed to measure the three-dimensional coordinates of points on the contours of the surface of the object (US patent No. 5612786, NCI 356/376, publ. 03/18/1997). In the framework of this method, an object is placed in the field of view of an optical system consisting of a projector and a camera, a transparent slide with one set of bands is projected onto the object, the intensity of which varies according to a sinusoidal law, and a preliminary phase distribution is obtained containing the phases of each of the many cells in accordance with the points of the object, after which the procedure of determining the phase distribution to the full phase angle (phase unwrapping) is carried out and the set of reconstructed phases is converted to a set of three-dimensional coordinates. on the object for each of the cells, using a set of equations containing fixed calibration parameters that are set during the pre-calibration procedure. The procedure for determining the full phase angle, otherwise defined as the restoration of the strip number, is performed by minimizing the increments of the total phase angles in neighboring cells based on the assumption that the measured surface is smooth and sharp jumps in the coordinates of its neighboring points are eliminated.

В одном из вариантов этого способа получают как минимум три изображения объекта, причем эти изображения отличаются определенным фазовым сдвигом, который создается перемещением находящегося в проекторе держателя, в котором закреплен упомянутый слайд с набором линий. Для определения абсолютной фазы, а следовательно, абсолютных координат одна линия из этого набора маркируется.In one embodiment of this method, at least three images of the object are obtained, and these images are distinguished by a certain phase shift, which is created by moving the holder located in the projector, in which the said slide with a set of lines is fixed. To determine the absolute phase, and therefore absolute coordinates, one line from this set is marked.

Недостатки этого способа заключаются в том, что он не может быть использован для измерения формы поверхности объектов, имеющих участки, обладающие высокой способностью отражать или рассеивать свет, так что при освещении проектором сразу всей поверхности в процессе измерений происходит однократное или многократное переотражение или рассеяние света с интенсивностью, достаточной для получения ложных или искаженных результатов измерения.The disadvantages of this method are that it cannot be used to measure the surface shape of objects having areas with high ability to reflect or scatter light, so that when a projector illuminates the entire surface at once, a single or multiple re-reflection or scattering of light occurs with Intensity sufficient to produce false or distorted measurement results.

Наиболее близким к заявленному является способ оптического измерения формы поверхности, включающий размещение поверхности в поле освещения проекционной оптической системы и одновременно в поле зрения устройства для регистрации изображений упомянутой поверхности, проецирование с помощью упомянутой проекционной оптической системы на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям (см. патент РФ №2148793, МПК G01B 11/24, опубл. 10.05.2000 г.). При этом на упомянутую поверхность проецируют поочередно как минимум три периодические распределения интенсивности освещенности, представляющие собой набор полос, интенсивность которых в поперечном направлении меняется по синусоидальному закону, причем упомянутые периодические распределения интенсивности освещенности отличаются сдвигом этого набора полос в направлении, перпендикулярном полосам, на контролируемую величину в пределах полосы, обрабатывают зарегистрированные изображения для получения предварительного фазового распределения, содержащего фазы, соответствующие точкам поверхности. Кроме того, на упомянутую поверхность однократно проецируют дополнительное распределение интенсивности освещенности, позволяющее для каждой точки упомянутой поверхности определить номер полосы из упомянутого набора полос, регистрируют дополнительное изображение упомянутой поверхности, получают для каждой видимой точки упомянутой поверхности результирующее фазовое распределение, исходя из упомянутого изображения объекта, освещенного предварительным фазовым распределением, и упомянутого изображения объекта, освещенного дополнительным распределением освещенности. А из упомянутого результирующего фазового распределения получают абсолютные координаты точек упомянутой поверхности с использованием данных предварительной калибровки.Closest to the claimed method is an optical measurement of the surface shape, including placing the surface in the field of illumination of the projection optical system and simultaneously in the field of view of the device for recording images of the said surface, projecting using the projected optical system onto the measured surface a set of images with a given light flux structure, registration of a set of corresponding images of the surface when it is observed at an angle different from the projection angle I set of images, and determining the shape of the measured surface from the registered images (see RF patent No. 2148793, IPC G01B 11/24, publ. 05.10.2000). At the same time, at least three periodic distributions of the intensity of illumination are projected onto said surface, which are a set of bands whose intensity in the transverse direction varies according to a sinusoidal law, and the above-mentioned periodic distributions of the intensity of illumination differ by a shift of this set of bands in the direction perpendicular to the bands by a controlled amount within the band, process the registered images to obtain a preliminary phase ra EFINITIONS containing phases corresponding surface points. In addition, an additional distribution of light intensity is projected onto said surface once, allowing for each point of said surface to determine the strip number from said set of strips, an additional image of said surface is recorded, and for each visible point of said surface, a resulting phase distribution based on said object image is obtained, illuminated by a preliminary phase distribution, and said image of an object illuminated additionally Yelnia illumination distribution. And from the said resulting phase distribution, the absolute coordinates of the points of the said surface are obtained using the preliminary calibration data.

При проведении измерений по вышеуказанным способам предполагается, что регистрация изображения каждой точки поверхности происходит в условиях, когда ее освещение происходит только прямым лучом проектора, и освещенность изображения данной точки объекта на регистраторе изображений считается пропорциональной яркости луча, падающего на эту точку непосредственно от проектора. Однако измерения проводят в условиях, когда освещена вся измеряемая поверхность, а из оптики известно, что в этих условиях данную точку поверхности могут осветить и другие лучи, отразившиеся или рассеянные от других участков той же поверхности или посторонних объектов. Механизм возникновения паразитной засветки при переотражениях поясняется схемой, показанной на фиг.6.When making measurements using the above methods, it is assumed that the image registration of each point on the surface occurs under conditions when its illumination occurs only with the direct beam of the projector, and the illumination of the image of a given point of the object on the image recorder is considered proportional to the brightness of the beam incident on this point directly from the projector. However, measurements are carried out under conditions when the entire measured surface is illuminated, and it is known from optics that under these conditions, other rays reflected or scattered from other parts of the same surface or foreign objects can illuminate this surface point. The mechanism of occurrence of spurious illumination during reflections is illustrated by the circuit shown in Fig.6.

Когда поверхность имеет матовый характер, свет от нее равномерно рассеивается в полный телесный угол, поэтому уже дважды рассеянный свет столь слаб, что паразитной засветкой измеряемой точки многократно рассеянными лучами в большинстве случаев можно пренебречь по сравнению с яркостью однократно рассеянного луча, который, в основном, и фиксируется регистратором.When a surface has a matte character, the light from it is uniformly scattered to a full solid angle, therefore the already twice scattered light is so weak that the stray illumination of the measured point by multiple scattered rays can in most cases be neglected in comparison with the brightness of a single scattered ray, which, basically, and fixed by the registrar.

Однако, если поверхность имеет участки со значительным зеркальным блеском, такое предположение для части участков измеряемой поверхности становится неверным, что приводит к росту погрешности измерений вплоть до возникновения грубых ошибок, когда регистратор «видит» вместо некоторой точки измеряемой поверхности совершенно другую точку той же поверхности, отраженную в ней.However, if the surface has areas with a significant specular gloss, such an assumption for a part of the areas of the measured surface becomes incorrect, which leads to an increase in the measurement error up to the appearance of gross errors when the recorder "sees" a completely different point on the same surface instead of some point of the measured surface, reflected in it.

На практике возможны и более сложные случаи переотражений - последовательные, когда освещение одного участка приводит к паразитной засветке другого и далее к засветке третьего участка светом, рассеянным или отраженным от второго и т.д., и взаимные, когда при освещении одного участка засвечивается другой, а при освещении этого другого полностью или частично засвечивается первый.In practice, more complex cases of rereflection are possible - sequential, when the illumination of one section leads to spurious illumination of the other and then to the illumination of the third section with light scattered or reflected from the second, etc., and mutual, when the other section is illuminated when illuminating one, and when illuminating this other, the first is fully or partially illuminated.

Независимо от того, каким физическим механизмом, зеркальным отражением или рассеянием, обусловлено влияние освещения одной части поверхности на измерения на другой части, в данном описании далее для краткости используется термин «переотражение».No matter what physical mechanism, specular reflection or scattering, is due to the influence of illumination of one part of the surface on the measurements on the other part, the term “re-reflection” is used hereinafter for brevity.

Предварительное покрытие измеряемой поверхности специальными составами, уменьшающими переотражение, например матирующими составами, значительно увеличивает трудоемкость способа и удлиняет его реализацию.The preliminary coating of the measured surface with special compositions that reduce rereflection, for example, matting compositions, significantly increases the complexity of the method and lengthens its implementation.

Предлагаемое изобретение решает задачу проведения оптических измерений формы поверхности объекта в условиях однократных, многократных последовательных или взаимных переотражений света от отдельных участков указанной поверхности.The present invention solves the problem of conducting optical measurements of the surface shape of an object under conditions of single, multiple sequential or mutual re-reflections of light from individual sections of the specified surface.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности измерений, снижении вероятности получения ложных или искаженных результатов измерения, расширении класса измеряемых поверхностей, уменьшении объема операций по подготовке поверхности.The technical result achieved by the invention is to increase the accuracy of measurements, reduce the likelihood of obtaining false or distorted measurement results, expand the class of surfaces to be measured, and reduce the amount of surface preparation operations.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оптического измерения формы поверхности, включающем проецирование на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям, предварительно определяют переотражающие участки измеряемой поверхности, при освещении которых под углом проецирования набора изображений возникает паразитная засветка других участков измеряемой поверхности, затеняют переотражающие участки при проецировании набора изображений, измеряют форму освещенных участков поверхности, а проецируя набор изображений с заданной структурой светового потока на ранее затененные переотражающие участки, измеряют форму поверхности на переотражающих участках.The specified technical result is achieved in that in a method of optical measuring the surface shape, including projecting onto a measurement surface a set of images with a given light flux structure, registering a set of corresponding surface images when it is observed at an angle different from the angle of projection of the image set, and determining the shape of the measured surface by registered images, pre-reflecting sections of the measured surface are determined, under lighting of which under scrap projection images set occurs parasitic illumination of other portions of the surface being measured, shade portions pereotrazhayuschie when projecting a set of images, measured form the illuminated surface portions and projecting a set of images with a predetermined pattern of luminous flux in the previously pereotrazhayuschie shaded portions on the measured surface shape pereotrazhayuschih sites.

Указанный технический результат при кратных последовательных или взаимных переотражениях достигается тем, что последовательность действий по проецированию набора изображений с заданной структурой светового потока с затенением переотражающих участков, регистрации изображений поверхности и определению формы участков поверхности повторяют до получения результатов по всем участкам поверхности.The specified technical result with multiple sequential or mutual re-reflections is achieved by the fact that the sequence of actions for projecting a set of images with a given structure of the light flux with shading of the re-reflecting areas, recording surface images and determining the shape of surface areas is repeated until the results are obtained for all surface areas.

Указанный технический результат достигается также тем, что для проецирования на измеряемую поверхность набора изображений используют цифровой проектор.The indicated technical result is also achieved by the fact that a digital projector is used to project a set of images onto a measured surface.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображен общий вид устройства, предназначенного для осуществления предлагаемого способа.Figure 1 shows a General view of a device designed to implement the proposed method.

Фиг.2-5 схематично изображают картину, наблюдаемую со стороны камеры, в разные моменты осуществления заявленного способа. На фиг.2 показана световая картина на измеряемой поверхности в один из моментов времени в ходе процедуры предварительного определения переотражающих участков измеряемой поверхности, переотражающий участок А не освещен. На фиг.3 то же, что на фиг.2, но в другой момент времени, когда освещена часть переотражающего участка А, и засвечен участок Б (освещен светом, переотраженным от участка А). На фиг.4 показана световая картина на измеряемой поверхности при проецировании одного из изображений с заданной структурой светового потока (из набора таких изображений) при затенении переотражающего участка А. На фиг.5 показана световая картина на измеряемой поверхности при проецировании одного из изображений с заданной структурой светового потока (из набора таких изображений) в том числе на ранее затененный переотражающий участок А. При этом картина полос на участке Б искажена, и полосы имеют более низкий контраст, что поясняет необходимость затенения участка А при получении результатов измерений на участке Б, а также невозможность измерения на участке Б в случае, если освещен, по меньшей мере, участок А.Figure 2-5 schematically depict the picture observed from the side of the camera, at different points in the implementation of the claimed method. Figure 2 shows a light picture on the measured surface at one point in time during the preliminary determination of the re-reflecting sections of the measured surface, the re-reflecting section A is not illuminated. In Fig. 3, the same as in Fig. 2, but at a different point in time, when a part of the rereflecting section A is illuminated, and the portion B is illuminated (illuminated by the light reflected from the portion A). Figure 4 shows a light picture on the measured surface when projecting one of the images with a given light flux structure (from a set of such images) when shading the reflecting portion A. Figure 5 shows a light picture on the measured surface when projecting one of the images with a given structure luminous flux (from a set of such images) including the previously shaded re-reflecting section A. Moreover, the pattern of the stripes in section B is distorted, and the stripes have a lower contrast, which explains the need the shading property of section A upon receipt of the measurement results in section B, as well as the impossibility of measuring in section B if at least section A. is lit.

Фиг.6-8 показывают схемы возможных вариантов переотражения. Наложение лучей при переотражениях схематически показано двойными и тройными стрелками. На фиг.6 показана схема, поясняющая механизм однократных переотражений при измерениях формы поверхности и возникновение ложной измерительной информации. На измерения на участке Б влияет засветка от участка А, так что возникает ложная информация об участке Б, соответствующая участку-«призраку» (Б'). На фиг.7 показана схема, поясняющая частный случай многократного переотражения. На фиг.8 показана схема, поясняющая частный случай взаимного переотражения.6-8 show diagrams of possible re-reflection options. The superposition of rays during re-reflections is schematically shown by double and triple arrows. Fig. 6 is a diagram for explaining the mechanism of single reflections during measurements of the surface shape and the occurrence of false measurement information. The measurements in plot B are affected by the illumination from plot A, so that false information arises about plot B, which corresponds to the “ghost” plot (B '). 7 is a diagram illustrating a particular case of multiple re-reflection. Fig. 8 is a diagram for explaining a particular case of mutual reflection.

Устройство (фиг.1) для осуществления предлагаемого способа оптического измерения формы поверхности объекта 1 содержит проекционную оптическую систему, в качестве которой, например, может быть использован цифровой проектор 2, в частности видеопроектор LCD-типа с жидкокристаллической (ЖК) матрицей 3 в качестве элемента, формирующего заданную структуру светового потока, обеспечивающую необходимые распределения освещенностей (включая требуемые затенения) на объекте измерений 1. Устройство содержит также средство для регистрации изображения измеряемой поверхности, в качестве которого может быть использована цифровая видео- или фотокамера 4, например камера со светочувствительной матрицей 5. Устройство, кроме того, содержит электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 6, предназначенную для обработки и хранения оцифрованных изображений, формируемых камерой 4, а также для управления матрицей 3 цифрового проектора 2, с целью создания требуемой структуры освещения, проецируемого на объект 1.The device (figure 1) for implementing the proposed method for optical measuring the surface shape of an object 1 comprises a projection optical system, for example, a digital projector 2, in particular, an LCD-type video projector with a liquid crystal (LCD) matrix 3 as an element, can be used forming the desired structure of the light flux, providing the necessary distribution of illumination (including the required shading) at the measurement object 1. The device also contains means for recording the image the measured surface, which can be used as a digital video or camera 4, for example a camera with a photosensitive matrix 5. The device further comprises an electronic computer 6, intended for processing and storage of digitized images generated by the camera 4, and also to control the matrix 3 of the digital projector 2, in order to create the desired structure of the lighting projected onto the object 1.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

Поверхность объекта 1 размещают в поле освещения цифрового проектора 2 и одновременно в поле зрения цифровой камеры 4. При этом оптические оси объективов цифрового проектора 2 и цифровой камеры 4 устанавливают так, чтобы они были не коллинеарны и не параллельны.The surface of the object 1 is placed in the field of illumination of the digital projector 2 and at the same time in the field of view of the digital camera 4. In this case, the optical axes of the lenses of the digital projector 2 and the digital camera 4 are set so that they are not collinear and parallel.

Объектив цифрового проектора 2 настраивают таким образом, чтобы создаваемое изображение рисунка, находящегося на жидкокристаллической матрице 3 цифрового проектора 2, покрывало всю измеряемую часть поверхности объекта 1. При этом возникает взаимно однозначное соответствие, в пределах, определяемых глубиной резкости и размером пикселя, между пикселями LCD-матрицы и точками поверхности объекта 1. Объектив цифровой камеры 4 настраивают так, чтобы, в пределах глубины резкости, на светочувствительной матрице 5 возникло изображение измеряемого объекта. При этом также возникает взаимно-однозначное соответствие, в пределах, определяемых глубиной резкости и размером пикселя, между пикселями матрицы 5 цифровой видеокамеры 4 и точками поверхности объекта 1.The lens of the digital projector 2 is adjusted so that the image created on the liquid crystal matrix 3 of the digital projector 2 covers the entire measured part of the surface of the object 1. There is a one-to-one correspondence, within the limits determined by the depth of field and pixel size, between the LCD pixels matrices and surface points of the object 1. The lens of the digital camera 4 is adjusted so that, within the depth of field, an image of the measured object. This also creates a one-to-one correspondence, within the limits determined by the depth of field and pixel size, between the pixels of the matrix 5 of the digital video camera 4 and the surface points of the object 1.

Для применения способа необходимо определить переотражающие участки измеряемой поверхности, при освещении которых под углом проецирования набора изображений с заданной структурой светового потока и наблюдении с направления регистрации изображений возникает паразитная засветка одних участков измеряемой поверхности отраженным или рассеянным светом от других.To apply the method, it is necessary to determine the reflective portions of the measured surface, when illuminated at an angle of projection of a set of images with a given luminous flux structure and observed from the image registration direction, spurious illumination of some portions of the measured surface with reflected or scattered light from others occurs.

Простейший способ для определения указанных участков заключается в том, что всю измеряемую поверхность сканируют дискретно перемещаемым лучом, освещающим ее под тем же углом, под которым в дальнейшем предполагается проецировать на эту поверхность набор изображений с заданной структурой светового потока. Площадь пятна освещения от упомянутого луча на измеряемой поверхности выбирают минимальной, исходя из возможностей используемого оборудования. Переотражающими являются те участки измеряемой поверхности, при попадании луча на которые цифровая камера фиксирует освещенность любых других участков измеряемой поверхности, которые не освещены прямым сканирующим лучом.The simplest way to determine these areas is that the entire measured surface is scanned by a discretely moving beam illuminating it at the same angle at which it is further planned to project onto this surface a set of images with a given light flux structure. The area of the illumination spot from the beam on the measured surface is chosen to be minimal, based on the capabilities of the equipment used. Reflecting reflects those parts of the measured surface, when a beam hits the digital camera that detects the illumination of any other parts of the measured surface that are not illuminated by a direct scanning beam.

Для случая, когда измерения формы поверхности объекта выполняют с использованием синусоидального растра - набора синусоидальных полос (см. патент РФ №2148793, МПК G01B 11/24, опубл. 10.05.2000 г.), указанная процедура может быть выполнена следующим образом (фиг.2, 3).For the case when measurements of the surface shape of an object are performed using a sinusoidal raster — a set of sinusoidal bands (see RF patent No. 2148793, IPC G01B 11/24, publ. 05/10/2000), this procedure can be performed as follows (Fig. 2, 3).

С помощью цифрового проектора 2, под управлением программы ЭВМ 6, на ЖК-матрице создают изображение светлой полосы шириной в один пиксель на черном фоне и проецируют его на объект 1. Полученное на объекте изображение полосы (назовем ее «освещающей») ориентируют в направлении линий синусоидального растра, используемого в дальнейшем для измерения формы поверхности объекта 1 (см. фиг.2, 3, 4, 5). Указанную освещающую полосу перемещают в поперечном по отношению к линиям синусоидального растра направлении с минимальным для данного проектора шагом (на ЖК-матрице - с шагом в один пиксель), проходя от края до края все поле освещения объекта измерений. Одновременно с этим процессом с помощью цифровой камеры 4 регистрируют изображения объекта 1 измерений для каждого положения освещающей полосы. Зарегистрированную последовательность оцифрованных изображений сохраняют в ЭВМ 6 и производят их обработку. Для выполнения указанной обработки с учетом требуемой точности измерений задают числовой порог, выше которого пиксель изображения объекта считают освещенным. Переотражение фиксируют, если пиксель изображения в камере оказывается освещенным несколько раз, а не один раз, когда полоса от проектора напрямую освещает соответствующий участок поверхности. На фиг.3 и 5 участок Б засвечен переотраженным от участка А светом, фиг.3 - при поиске и определении переотражающих участков, фиг.5 - при измерениях.Using a digital projector 2, under the control of computer program 6, an image of a light strip with a width of one pixel on a black background is created on the LCD matrix and projected onto object 1. The image of the strip obtained on the object (let's call it “illuminating”) is oriented in the direction of the lines a sinusoidal raster used in the future to measure the surface shape of the object 1 (see figure 2, 3, 4, 5). The specified illumination strip is moved in the transverse direction with respect to the lines of the sinusoidal raster with the minimum step for the given projector (on the LCD matrix - in increments of one pixel), passing from edge to edge the entire field of illumination of the measurement object. Simultaneously with this process using a digital camera 4 register the image of the measurement object 1 for each position of the illuminating strip. The recorded sequence of digitized images is stored in a computer 6 and processed. To perform this processing, taking into account the required measurement accuracy, a numerical threshold is set, above which the image pixel of the object is considered illuminated. Reflection is recorded if the image pixel in the camera is illuminated several times, and not once, when the strip from the projector directly illuminates the corresponding surface area. In FIGS. 3 and 5, section B is illuminated with light reflected from section A, FIG. 3 - during the search and determination of reflective sections, FIG. 5 - during measurements.

В зависимости от обнаруженных переотражений определяют необходимые затенения переотражающих участков и необходимое количество циклов измерения формы поверхности. При любой комбинации переотражений для любого участка поверхности всегда можно провести измерения с исключением влияния засветки от переотражений, если в момент измерений этого участка все другие участки, влияющие на результат этого измерения, затенены.Depending on the detected reflections, the necessary shading of the reflecting areas and the required number of cycles for measuring the surface shape are determined. With any combination of reflections for any surface section, it is always possible to carry out measurements with the exception of the influence of exposure from re-reflections, if at the time of measuring this section all other sections affecting the result of this measurement are shaded.

Таким образом определяют необходимое количество циклов измерения формы поверхности, для каждого цикла определяют требуемые затенения участков и формируют последовательность освещающих изображений, а для пикселей видеокамеры определяют, данные какого из циклов измерений должны быть использованы.Thus, the required number of surface shape measurement cycles is determined, the required shading of the sections is determined for each cycle, and a sequence of illuminating images is formed, and for the pixels of the video camera it is determined which data from which measurement cycles should be used.

Затем приступают непосредственно к процедуре оптического измерения формы поверхности с учетом выявленных переотражающих участков.Then proceed directly to the procedure of optical measurement of the surface shape, taking into account the identified reflective areas.

В том наиболее общем случае, когда процедура определения переотражающих участков выявила наличие только однократных переотражений, измерения выполняют следующим образом.In the most general case, when the procedure for determining the re-reflecting areas revealed the presence of only single re-reflections, the measurements are performed as follows.

На поверхность объекта 1 с помощью цифрового проектора 2 проецируют как минимум три периодических распределения интенсивности освещенности, представляющих собой набор полос, интенсивность которых меняется по синусоидальному закону, причем упомянутые периодические распределения интенсивности освещенности отличаются сдвигом этого набора полос в направлении, перпендикулярном полосам, на контролируемую величину в пределах полосы, и дополнительное распределение интенсивности освещенности, позволяющее для каждой точки упомянутой поверхности определить номер полосы из упомянутого набора полос, при этом во всех случаях проецирования упомянутые переотражающие участки поверхности оставляют неосвещенными (затеняют), что можно выполнить, либо помещая на пути лучей проектора непрозрачные шторки или экраны, либо модифицируя данные, передаваемые проектору, таким образом, чтобы переотражающие участки оставались темными (фиг.4). При проецировании каждого распределения интенсивности освещенности осуществляют, с помощью камеры 3, регистрацию соответствующего цифрового изображения объекта 1. По данным оцифрованных изображений, полученных при проецировании наборов синусоидальных полос, определяют предварительное фазовое распределение, из которого далее, по данным оцифрованного изображения объекта, полученного при проецировании дополнительного распределения интенсивности освещенности, получают результирующее фазовое распределение для всех точек измеряемой поверхности, кроме затененных переотражающих участков. Затем проецирование всех распределений интенсивности освещенности с регистрацией цифровых изображений осуществляют повторно, освещая, по меньшей мере, ранее затененные участки (например, освещая всю поверхность без затенений, фиг.5). Для каждой точки поверхности, которые были затенены ранее, тем же способом определяют предварительное и результирующее фазовые распределения, так что результирующее фазовое распределение оказывается известным для всей измеряемой поверхности. Наконец, из упомянутого результирующего фазового распределения для всей поверхности получают абсолютные координаты ее точек с использованием данных предварительной калибровки.At least three periodic distributions of the intensity of illumination are projected onto the surface of object 1 using a digital projector 2, which are a set of bands whose intensity varies according to a sinusoidal law, and the above-mentioned periodic distributions of the intensity of illumination are distinguished by shifting this set of bands in the direction perpendicular to the bands by a controlled amount within the band, and an additional distribution of light intensity, allowing for each point of the above to determine the number of the strip from the mentioned set of stripes, while in all cases of projection the mentioned reflective surface sections are left unlit (shaded), which can be done either by placing opaque curtains or screens in the path of the projector rays or modifying the data transmitted to the projector in such a way so that the reflecting areas remain dark (figure 4). When projecting each distribution of the light intensity, the corresponding digital image of object 1 is recorded using camera 3. Using the digitized images obtained when projecting the sets of sinusoidal bands, a preliminary phase distribution is determined, from which further, according to the digitized image of the object obtained by projecting additional distribution of light intensity, the resulting phase distribution for all points of the measured overhnosti except pereotrazhayuschih shaded areas. Then the projection of all distributions of the intensity of illumination with the registration of digital images is carried out repeatedly, illuminating at least previously shaded areas (for example, illuminating the entire surface without shading, Fig. 5). For each surface point that has been previously shaded, the preliminary and resulting phase distributions are determined in the same way, so that the resulting phase distribution is known for the entire measured surface. Finally, the absolute coordinates of its points are obtained from the above-mentioned resulting phase distribution for the entire surface using pre-calibration data.

Таким образом, признак «затеняют» в настоящей заявке используется, по меньшей мере, в трех эквивалентных значениях. Во-первых, признак «затеняют» может быть реализован как действие, при котором создают тень (затенение) на нужных участках поверхности объекта 1 путем, например, установки преград (экранов) на пути света. Во-вторых, признак «затеняют» может быть реализован как такое действие, когда при проецировании набора изображений на измеряемую поверхность пространственная структура светового потока модифицируется таким образом, что участки, предназначенные для затенения, оказываются неосвещенными, а незатеняемые участки освещаются световым потоком с первоначальной заданной структурой. В третьих, признак «затеняют» какие-либо части может быть реализован как эквивалентный ему признак «выборочно освещают» остальные части поверхности.Thus, the sign “obscure” in this application is used in at least three equivalent values. Firstly, the sign “shade” can be implemented as an action in which a shadow (shading) is created on the necessary parts of the surface of the object 1 by, for example, installing barriers (screens) in the path of light. Secondly, the “shade” feature can be implemented as such an action when, when projecting a set of images onto a measured surface, the spatial structure of the light flux is modified so that the areas intended for shading turn out to be unlit, and the unshaded areas are illuminated with the initial flux structure. Thirdly, the sign “obscure” any parts can be realized as an equivalent sign “selectively illuminate” the remaining parts of the surface.

В частных более сложных случаях, если процедура определения переотражающих участков выявила наличие кратных последовательных или взаимных переотражений (независимо от того, имеют ли место также и однократные переотражения), может оказаться, что двукратное использование исходной процедуры при однократном маскировании не позволяет получить корректные данные по всей измеряемой поверхности. В этом случае, измерения с маскированием проводят многократно до получения результатов по всей измеряемой поверхности.In particular more complex cases, if the procedure for determining the re-reflecting areas revealed the presence of multiple consecutive or mutual re-reflections (regardless of whether there are also single re-reflections), it may turn out that a double use of the original procedure with a single masking does not allow obtaining correct data for the whole measured surface. In this case, masked measurements are carried out repeatedly until results are obtained over the entire measured surface.

Рассмотрим случай кратных переотражений (фиг.7). Пусть освещение участка 7 порождает переотражение на участки 8 и 9, а освещение участка 8 порождает переотражение на участок 9. Таким образом, участок 9 может быть измерен только при затененных 7 и 8, участок 8 - только при затененном 7, при этом данные с участка 9 искажены паразитной засветкой и не могут использоваться, даже если участок 9 не затенен. Наконец, чтобы измерить участок 7, его необходимо осветить и измерить, но при этом данные, получаемые с участков 8 и 9, искажены и не будут приниматься во внимание. В таком случае процедура измерений состоит в получении данных для участка 9 при затенении участков 7 и 8 с последующим получением данных для участка 8 при затенении участка 7 и получении данных для участка 7 и всей остальной поверхности при освещении без затенений.Consider the case of multiple reflections (Fig.7). Let the illumination of section 7 generate re-reflection to sections 8 and 9, and the lighting of section 8 to produce re-reflection to section 9. Thus, section 9 can only be measured with shaded 7 and 8, section 8 - only with shaded 7, while the data from the section 9 are distorted by spurious illumination and cannot be used, even if section 9 is not shaded. Finally, in order to measure section 7, it must be illuminated and measured, but the data obtained from sections 8 and 9 are distorted and will not be taken into account. In this case, the measurement procedure consists in obtaining data for section 9 when shading sections 7 and 8, followed by obtaining data for section 8 when shading section 7 and obtaining data for section 7 and the rest of the surface when illuminated without shading.

Рассмотрим случай взаимных переотражений (фиг.8), когда имеется переотражение с участка 10 на участки 11 и 12, участок 11 переотражает свет на участок 12, а участок 12 - на участок 11. Для измерений на участке 11 должны быть затенены участки 10 и 12, для измерений на участке 12 должны быть затенены участки 10 и 11, а для измерений на участке 10 он должен быть освещен (причем независимо от освещения участков 11 и 12). В таком случае процедура измерений должна быть выполнена трижды: при затененных 10 и 11 измеряется участок 12, при затененных 10 и 12 измеряется участок 11, и при полном освещении поля измерений (или при любых затенениях любых других участков, кроме участка 10) измеряется участок 10.Consider the case of mutual reflections (Fig. 8), when there is re-reflection from section 10 to sections 11 and 12, section 11 reflects light to section 12, and section 12 to section 11. For measurements in section 11, sections 10 and 12 should be shaded , for measurements in section 12, sections 10 and 11 should be shaded, and for measurements in section 10 it should be illuminated (moreover, regardless of the lighting of sections 11 and 12). In this case, the measurement procedure must be performed three times: with shaded 10 and 11, section 12 is measured, with shaded 10 and 12, section 11 is measured, and with full coverage of the measurement field (or with any shading of any other sections except section 10), section 10 is measured .

Приведенные примеры демонстрируют возможность применения заявленного способа и в случаях с более сложными переотражениями.The above examples demonstrate the possibility of applying the claimed method in cases with more complex reflections.

Claims (3)

1. Способ оптического измерения формы поверхности, включающий проецирование на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям, отличающийся тем, что предварительно определяют переотражающие участки измеряемой поверхности, при освещении которых под углом проецирования набора изображений возникает паразитная засветка других участков измеряемой поверхности, затеняют переотражающие участки при проецировании набора изображений, определяют форму освещенных участков поверхности, а проецируя набор изображений с заданной структурой светового потока на ранее затененные переотражающие участки, определяют форму поверхности на переотражающих участках.1. The method of optical measurement of the surface shape, including projecting onto a measured surface a set of images with a given light flux structure, registering a set of corresponding surface images when observing it at an angle different from the angle of projection of the set of images, and determining the shape of the measured surface from the recorded images, characterized in that pre-determine the reflective sections of the measured surface, when illuminated at an angle of projection of the image set eny occurs parasitic illumination of other portions of the measured surface portions pereotrazhayuschie shade when projecting a set of images, determine the shape of the illuminated surface portions and projecting a set of images with a predetermined pattern of luminous flux in the previously pereotrazhayuschie shaded portions define surface portions form at pereotrazhayuschih. 2. Способ оптического измерения формы поверхности по п.1, отличающийся тем, что при кратных последовательных и взаимных переотражениях последовательность действий по проецированию набора изображений с заданной структурой светового потока с затенением переотражающих участков, регистрации изображений поверхности и определению формы участков поверхности повторяют до получения результатов по всем участкам поверхности.2. The method of optical measurement of the surface shape according to claim 1, characterized in that for multiple sequential and mutual re-reflections, the sequence of actions for projecting a set of images with a given light flux structure with the shading of the re-reflecting sections, recording surface images and determining the shape of the surface sections is repeated until the results are obtained on all surface areas. 3. Способ оптического измерения формы поверхности по п.1, отличающийся тем, что для проецирования на измеряемую поверхность набора изображений используют цифровой проектор. 3. The method of optical measurement of surface shape according to claim 1, characterized in that a digital projector is used to project a set of images onto a measured surface.

Images