專利名稱：鏡像莫爾測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測技術，尤其涉及一種適合鏡面物體三維面形測量的"鏡像莫
爾測量裝置及方法"。
背景技術：
莫爾形貌術作為一種常用光學三維測量方法，具有全場和非接觸的優點，并因此 在工業及民用領域的許多方面得到廣泛應用。莫爾現象被引入科學研究的有記載的歷史可 以追溯到十九世紀。此后，將莫爾現象用于三維形狀檢測的努力一直延續不斷，但長期未有 太大突破。直至1970年代，當Meadows等和Takasaki相繼發表其關于莫爾形貌術的經典 論文后，該技術才開始得以蓬勃發展。與各種基于相干光的技術比較，莫爾形貌術具有① 無須相干光源，設備簡單；②適合較大、較深物體的測量；③對工作環境要求低的特點。根 據測量裝置之不同，莫爾形貌術被分為陰影型和投射型兩類。 莫爾形貌術的研究和發展主要受新型器件使用的驅動。例如，CCD攝像機替代了 感光膠片成為莫爾條紋的記錄介質等等。新器件的采用大大提高了測量的精度、分辨率和 自動化程度。與此相適應，條紋圖像的自動分析與處理成為莫爾形貌術研究的核心內容。 早期采用的方法是基于圖像灰度確定莫爾條紋的中心或峰值位置，以此得到細化的等高 線[3—5]。為確定等高線的級次，Lu和Inokuchi在投射型莫爾中采用了強度調制的方法。另 一種方法是基于動態位相檢測的技術。例如，Indebetouw通過控制參考光柵勻速移動，實現 了莫爾條紋兩點之間相對位相的動態探測；而Moore和Truax則是通過光源照射角度的脈 動，將鎖相環技術引入莫爾條紋分析中。Quan等使物體振動，以掃描時域信號的位相。Tang 等最早采用傅立葉變換方法對莫爾條紋圖像進行了分析。相移技術是一種高分辨率的條紋 圖像分析技術。在投射莫爾形貌術中，Reid等和Mas咖oto等首先通過投射光柵或參考光 柵之一的平移，很方便地將實現了相移。但對于陰影型技術，唯一光柵的平移卻無法產生 莫爾條紋的移動。因此，只有通過改變系統的其它參數，才能引起莫爾條紋的移動。但對于 常用的非準直光系統，圖像上各點的相移量依賴于該點對應深度值，因此無法實現均勻相 移。Dirckx等，Dirckx和Decraemer， Ladak等，以及Mauvoison等使物體垂直于光柵柵面 移動，近似實現了均勻相移。Yoshizawa和Tomisawa在移動光柵的同時也控制光源移動， D' Acquisto等同時改變光源和物體位置，Jin等則同時控制光柵的移動和旋轉，也部分補 償了非均勻相移帶來的系統誤差。Degrieck等僅采集一幅圖像，利用一虛擬光柵實現了陰 影莫爾條紋的相移。除此之外，針對陰影莫爾技術，尚有某些條紋移動方法不需求解位相， 從而避免非均勻相移帶來的誤差。例如，Arai等，與Arai和Yokozeki從一系列條紋移動 的莫爾圖像中，通過求解非線性方程直接獲取物面深度的精確值。Xie等的方法則是控制 光柵按一定規律旋轉，但其最大可測深度非常有限。而G6mez-Pedrero等在裝置中采用了 三色光源，用異步解調方法分析了莫爾條紋。趙宏等控制光柵沿柵面垂直方向移動，為相移 陰影莫爾形貌術提供了一種新的實現手段。王昭等在陰影型裝置中采用多點光源，將頻移 技術引入莫爾形貌術。楊曉蘋等提出雙光柵結構的陰影莫爾法，可以簡化位相去包裹操作。李根乾等在投射型莫爾中采用雙攝像機和多光源設置，大大提高了相移投射莫爾形貌術的 測量速度。 盡管莫爾形貌術的研究已歷經了較長時期，已漸趨成熟。但是，現有的所有方法和 裝置只能測量表面性質為漫反射的粗糙物體輪廓，無法測量鏡面反射物體的形貌。而在工 程實際中，大量物體的表面性質為鏡面反射。
發明內容
本發明的目的，在于針對現有技術存在的缺陷，提供一種基于莫爾測量原理的鏡 面物體表面三維輪廓測量裝置和測量方法，即"鏡像莫爾測量裝置及方法"，能測量鏡面反 射物體的形貌。 為達到上述目的，本發明采用下述技術方案 —種鏡像莫爾測量裝置，包括攝像機、光柵、光柵垂直移動驅動裝置、測量數據處 理系統和光源，其特征在于所述光源為漫射光源，以該漫射光源作為背景照明光源；被測 鏡面物體放置于光柵后面，能對光柵成像形成變形光柵虛像；所述攝像機透過光柵能拍攝 到光柵柵線與光柵虛像重疊形成的莫爾條紋圖，即鏡像莫爾條紋圖；所述的光柵驅動裝置 能驅動光柵沿垂直方向移動，從而引起鏡像莫爾條紋的相移；所述的攝像機與測量數據處 理系統相連接，能將莫爾條紋圖輸出至數據處理系統進行處理，轉換成被測量物體表面面 形數據。 —種鏡像莫爾測量方法，采用上述的鏡面莫爾測量裝置進行測量，其特征在于操 作步驟如下 第一步、測量裝置調整確定攝像機(1)的參數與光柵(2)的節距； 第二步、數據采集①安裝光柵，使光柵柵線方向為豎直方向；②將被測鏡面物體
放置于光柵之后，并調整其方位至攝像機能記錄到清晰莫爾條紋；③利用光柵驅動裝置移
動光柵至n個預定位置，n為等于或大于4的自然數，在各位置分別用攝像機記錄莫爾條紋
圖，并輸出至測量數據處理系統；④重新安裝光柵，使光柵柵線方向為水平方向，并重復執
行步驟③。 第三步、數據處理測量數據處理系統(4)對輸入莫爾條紋圖進行處理，計算被測 鏡面的面形信息。 上述的第三步中所述的數據處理方法為①對光柵柵線為豎直和水平方向時采集 的兩組莫爾條紋圖分別進行處理，計算其相對相移量；②利用相對相移量，分別計算兩組莫 爾條紋圖的位相分布圖；③利用位相分布圖和光柵節距，分別計算物面沿水平和豎直方向 的梯度分布；④通過數值積分方法，由梯度分布計算物面深度分布。 本發明裝置與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優 點 1、現有的莫爾測量裝置采用點光源或平行光照明，只能測量漫反射物體。當被測 物體表面性質為鏡面反射時，攝像機不能拍攝到莫爾條紋。本發明所述裝置采用漫射背景 光源，測量鏡面物體時可以拍攝到莫爾條紋。 2、現有的莫爾測量方法中，莫爾條紋由光柵與光柵在漫反射物面上的陰影重疊而 成，莫爾條紋與物面深度有關。本發明所述方法中，莫爾條紋由光柵與光柵被鏡面所成虛像重疊而成，莫爾條紋與物面梯度有關。 3、現有的莫爾測量方法中，相移量與測量系統參數有關，與被測物體無關，是已知
的。本發明所述方法中，相移量與被測物體形狀有關，是未知的，是需要求解的。 4、現有的莫爾測量方法中，物面深度由位相直接計算所得，是基于三角測量原理。
本發明所述方法中，物面梯度由位相計算所得，物面深度再由梯度積分所得，不是基于三角
測量原理。 5、現有的莫爾測量方法及裝置測量對象為漫反射物體，本發明所述裝置及方法測 量對象為鏡面反射物體。
圖1是本發明"鏡像莫爾測量裝置"的結構示意圖；
圖2是本發明"鏡像莫爾測量方法"的原理具體實施例方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下 實施例一 參見圖l，本鏡像莫爾測量裝置包括攝像機(1)、光柵(2)、光柵垂直移 動驅動裝置(3)、測量數據處理系統(4)和光源(5);光源(5)為漫射光源，以該漫射光源 (5)作為背景照明光源；被測鏡面物體(6)放置于光柵(2)后面，能對光柵成像形成變形光 柵虛像；攝像機(1)透過光柵(2)能拍攝到光柵柵線與光柵虛像重疊形成的莫爾條紋圖，即 鏡像莫爾條紋圖；光柵垂直移動驅動裝置(3)能驅動光柵(2)沿垂直方向移動，從而引起鏡 像莫爾條紋的相移；攝像機(1)與測量數據處理系統(4)相連接，能將莫爾條紋圖輸出至數 據處理系統(4)進行處理，轉換成被測量物體表面面形數據。 實施例二 參見圖2，本鏡像莫爾測量方法采用實施例一的裝置進行測量，其測量
步驟及原理為 ①測量裝置調整 攝像機位于遠場位置，則反射光線近似垂直于光柵平面。光柵被鏡面物體成像形 成其虛像。攝像機可拍攝到光柵與其虛像重疊形成的莫爾條紋。
②數據采集 設光柵節距為p。 A點為被測鏡面上任意一點，其深度為h。光柵上一點C點經A 點被鏡面物體成像，在C'點形成其虛像。C'與光柵上B點重疊，說明此處莫爾條紋的位相 為C與B點的位相差。即有 4)A = 2ji^/p = 2Jihtan(2a)/p (1)， 其中a為入射角，反射角等于入射角，且滿足1&11 =朋/&。由式(1)可知，莫爾 條紋的位相依賴于物面形狀參數(包括深度和斜度)。 利用光柵垂直移動驅動裝置驅動光柵移動已知距離Ah，則位相值變化為 4)A+S A = 2 Ji (h+Ah)tan(2 a )/p (2)。 其中，相移量為 S A = 2 Ji A htan (2 a ) /p (3)。 式(3)表明可以通過移動被測物體來實現相移，但相移量沿物面分布不均勻。相移量不依賴物面深度，僅依賴其斜度。 利用光柵垂直移動驅動裝置驅動光柵等間距移動，順序到達n(n > 3)個不同位置 時，可拍攝到對應的n幅相移莫爾條紋圖。經濾波后，第n幅相移莫爾條紋圖像可表示為
In(x， y) = a(x， y)+b(x， y)cos[4)(x， y)+n S (x， y)] (4)， 其中n二O，l，…，N-1，N為相移步數。背景a、調制度b和位相小均為圖像坐標
(x， y)的函數。 ③數據處理 第一步，求解相移量。由于相移的不均勻性，相對相移量S也是(x， y)的函數。 相對相移量的無偏估計可由下式求出5 = arccos
(5)，
其中^=i;3""-2 一 u"—UB=ir:[d—7")2—""
第二步，求位相。采用最小二乘相移算法，求解方程組 Zsinw^ Zcosw^sin Zsin2w<5
則位相為
" (7》
)2]
「c0—》"—
=Z人cosw3
丄^」Z人sin wJ
(6),
^ = -arctan^2"
第三步，求物面梯度。利用公式1，計算物面沿x方向的梯度欲/ac:tana 。同理， 重新安裝光柵，使光柵柵線方向為水平方向(與原方向垂直)，并重復執行上述步驟可得物 面沿y方向的梯度朋/S;;。 第四步，求物面深度。通過數值積分，可由物面梯度計算物面深度分布，即恢復物 面形貌信息。
權利要求
一種鏡像莫爾測量裝置，包括攝像機(1)、光柵(2)、光柵垂直移動驅動裝置(3)、測量數據處理系統(4)和光源(5)，其特征在于所述光源(5)為漫射光源，以該漫射光源(5)作為背景照明光源；被測鏡面物體(6)放置于光柵(2)后面，能對光柵成像形成變形光柵虛像；所述攝像機(1)透過光柵(2)能拍攝光柵柵線與光柵虛像重疊形成的莫爾條紋圖，即鏡像莫爾條紋圖；所述的光柵驅動裝置(3)能驅動光柵(2)沿垂直方向移動，從而引起鏡像莫爾條紋的相移；所述的攝像機(1)與測量數據處理系統(4)相連接，能將莫爾條紋圖輸出至數據處理系統(4)進行處理，轉換成被測物體表面的面形數據。
2. —種鏡像莫爾測量方法，采用根據權利要求1所述的鏡像莫爾測量裝置進行測量， 其特征在于操作步驟如下第一步、測量裝置調整確定攝像機(1)的參數與光柵(2)的節距；第二步、數據采集①安裝光柵(l)，使光柵柵線方向為豎直方向；②將被測鏡面物體 (6)放置于光柵(1)之后，并調整其方位至攝像機(1)能記錄到清晰莫爾條紋；③利用光柵 垂直移動驅動裝置(3)移動光柵(1)至n個預定位置，n為等于或大于4的自然數，在各位 置分別用攝像機(1)記錄莫爾條紋圖，并輸出至測量數據處理系統(4);④重新安裝光柵， 使光柵柵線方向為水平方向，并重復執行步驟③；第三步、數據處理測量數據處理系統(4)對輸入莫爾條紋圖進行處理，計算獲得被測 鏡面的面形信息。
3. 根據權利要求2所述的鏡像莫爾測量方法，其特征在于所述的第三步中所述的數據處理方法為①對光柵(1)柵線為豎直和水平方向時采集的兩組莫爾條紋圖分別進行處 理，計算其相對相移量；②利用相對相移量，分別計算兩組莫爾條紋圖的位相分布圖；③利 用位相分布圖和光柵節距，分別計算物面沿水平和豎直方向的梯度分布；④通過數值積分方法，由梯度分布計算物面深度分布。
全文摘要
本發明涉及一種鏡像莫爾測量裝置及方法。本裝置包括漫射光源、攝像機、光柵、光柵垂直移動驅動裝置和測量數據處理系統，漫射光源作為背景照明光源，被測鏡面物體放在光柵后面，能對光柵成像形成變形光柵虛像，攝像機透過參考光柵可拍攝到光柵柵線與光柵虛像重疊形成的莫爾條紋圖，光柵垂直移動驅動裝置能驅動光柵沿垂直方向移動，從而引起鏡像莫爾條紋的相移，攝像機與測量數據處理系統相連接。本方法操作步驟為測量裝置調整、數據采集和數據處理。本發明能測量鏡面反射物體的形貌。
文檔編號G01B11/25GK101718533SQ200910198820
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者馮鵬, 胡珍, 郭紅衛 申請人:上海大學