鏡面目標輪廓光學測量系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種鏡面目標輪廓光學測量系統和方法；一種鏡面目標輪廓光學測量系統，包括計算機系統、采集單元和光源單元；一種鏡面目標輪廓光學測量方法包括獲取光帶圖像、獲取干擾圖像、對光帶圖像和干擾圖像進行處理得到凈化圖像、對凈化圖像進行中值濾波、均值濾波、圖像二值化、圖像細化和圖像還原處理重構鏡面目標三維輪廓圖像。本發明解決了CCD傳感器必須和被測鏡面物體所在的空間位置必須滿足反射定律問題，大大提高了測量系統的通用性；同時解決了鏡面目標的反光問題和強背景光中獲取目標真實圖像問題，消除了鏡面目標三維測量中鏡面目標反射環境光對測量結果的影響。
【專利說明】鏡面目標輪廓光學測量系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光線輪廓測量【技術領域】，尤其涉及一種鏡面目標輪廓光學測量系統和方法。
【背景技術】
[0002]上個世紀70年代以來，光學輪廓測量技術以其高精度、高效率和非接觸性的優點在高速檢測，產品開發、質量控制、反求工程等領域得到廣泛的應用和發展。現有光輪廓測量技術主要針對的是漫反射物體，而難以有效地測量鏡面反射物體。在工程中，特別是在現代制造業中，存在大量鏡面反射物體需要測量。例如，汽車工業中，噴涂車身、拋光模具等的表面均是鏡面反射性質。鏡面物體的光學輪廓測量技術研究已嚴重滯后于需求的快速增長。主要原因是鏡面物體同漫反射物體在反射模型上存在較大差異。鏡面反射時，光束的反射方向取決于入射方向和物體表面法線方向。這將造成反射光線不能保證被圖像采集系統所捕捉。即使捕捉到反射光線，被測鏡面物體的面形數據也嚴重依賴于物面的法向信息，使測量變得極其困難。目前，鏡面反射物體的測量一般采用兩種辦法:其一，采用三坐標測量機等接觸式測量設備，速度較慢，一般難以測量完整輪廓；其二，噴涂表面，改變其反射特性為漫反射后用主動或被動的光學方法測量，這種方法削弱了光學測量方法的非接觸優點，并且需要對被測目標進行額外的表面加工；其三，把圖像傳感器置于反射光路上。基于條紋反射的鏡面物體測量技術系統，顯示屏、被測鏡面物體和圖像傳感器CCD像機三者所在的空間位置滿足反射定律。圖像傳感器置于條紋反射光路上，計算機控制IXD顯示屏生成正弦條紋圖像，CXD像機通過鏡面物體觀察受調制的IXD顯示屏虛像，得到的一幀變形條紋圖像。其中，反射光線在物體表面偏轉角度受鏡面物體表面梯度調制。由光線追跡得到的反射光線在LCD顯示屏坐標系中位置偏移量，該偏移量反映了該處的梯度大小，表現為變形條紋的相位調制。分別投影水平和垂直方向的條紋圖像，通過適當的相移和相位解調技術[1，2]可以得到物體表面的調制相位分布，最后采用自適應光學中的Southwell區域波前重構法進一步對梯度數據積分重建物體外形。該方法的缺點是顯示屏、被測鏡面物體和CCD像機三者所在的空間位置滿足反射定律，這就大大降低了測量系統的通用性；反光問題:一旦反射光強到足以淹沒條紋的程度，會使條紋產生截斷，引起相位信息的誤差，最終無法獲得正確的高度分布。一種光學測量裝置，薄膜晶體管(TFT)上顯示的是一維光柵(由計算機控制可以方便地調節光柵的方向、周期以及襯比度)，待測物體表面與薄膜晶體管、CCD像機組成測量光學系統。首先對標準面進行測量，這里選擇平面反射鏡作為標準面，用CCD像機記錄標準面的光柵像，計算出參考相位。然后將待測物體放在相同位置，得到相應的變形光柵像，計算出參考相位，除去參考相位即得到由待測物面畸變引起的相位變化。薄膜晶體管上產生的光柵圖樣傳遞到CCD的接收平面，采用N幀相移方法可以計算出被測物面引入的相位調制，光柵由計算機產生，因此可實現精確相移，同時也可以方便地選擇相移次數，實驗中CCD像機直接調焦在待測物體表面，這時光柵像因離焦而變模糊，但由于采用的是正弦光柵，因此不會影響到相位測量的精度。標準面的光柵像不會發生畸變，而待測物體表面缺陷會引起光柵像變形。由梯度分布恢復待測表面面形，最簡單的方法是按路徑積分。但由于實際數據包含噪聲，這時積分就與路徑相關。按照不同的路徑積分得到的結果是不同的，尤其是在測量表面起伏劇烈的類鏡面反射表面時，按路徑積分將得不到正確的面形分布。因此這里選用自適應光學中Southwell波前重建法恢復待測面形。該方法的缺點是顯示屏、被測鏡面物體和CCD像機三者所在的空間位置滿足反射定律。這就大大降低了測量系統的通用性；反光問題:一旦反射光強到足以淹沒條紋的程度，會使條紋產生截斷，引起相位信息的誤差，最終無法獲得正確的高度分布。
【發明內容】
[0003]為了解決以上問題，本發明提出了一種鏡面目標輪廓光學測量系統和方法，解決了 CCD傳感器必須和被測鏡面物體所在的空間位置滿足反射定律問題、鏡面目標反光問題和強背景光中獲取目標真實圖像的問題。
[0004]本發明的技術方案是:一種鏡面目標輪廓光學測量方法，包括以下步驟:
[0005]S1.利用計算機軟件發出脈沖調制信號對激光器進行調制，激光器輸出線型光束對鏡面目標進行照明；同時利用計算機軟件發出觸發信號，觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的光帶圖像；
[0006]S2.關閉激光器，并利用計算機軟件發出觸發信號觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的干擾圖像；
[0007]S3.對步驟SI中的光帶圖像和步驟S2中的干擾圖像進行反相迭加相關運算，得到鏡面目標表面的凈化圖像；
[0008]S4.設定鏡面目標面形數據閾值，選取N幅鏡面目標同一表面位置的凈化圖像進行時域內低通濾波處理，得到鏡面目標面形數據和激光光帶灰度圖像，并判斷N是否達到鏡面目標面形數據閾值；
[0009]S5.若N沒有達到鏡面目標面形數據閾值，則返回步驟SI ;gN達到鏡面目標面形數據閾值，則對步驟S4中的激光光帶灰度圖像分別進行中值濾波和均值濾波處理；
[0010]S6.對步驟S5中處理后的激光光帶灰度圖像進行二值化處理，并利用細化算法提取結構光光條中心；
[0011]S7.采用最短對角線的輪廓線拼接方法對步驟S4中的鏡面目標面形數據和步驟S6中的結構光光條中心進行處理，重構鏡面目標的三維表面輪廓，并利用VTK軟件系統顯示鏡面目標三維輪廓圖像。
[0012]進一步地，所述光帶圖像包括鏡面目標表面散射到CXD圖像傳感器的激光信號和鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號。
[0013]進一步地，所述干擾圖像包括鏡面目標表面反射到CXD圖像傳感器的光噪聲信號。
[0014]進一步地，所述凈化圖像包括鏡面目標表面散射到CXD圖像傳感器的激光信號。
[0015]進一步地，所述反相迭加相關運算公式為:
[0016]Gn(i，j) = Gl (i, j) cos(<i)L)+Gb (i, j) cos(<i)B)
[0017]其中，φΒ-(Κ = Ji，GL(i, j)為光帶圖像灰度，Gb(i, j)為干擾圖像灰度，Gn(i, j)為凈化圖像灰度，ΦΒ為脈沖調制信號中干擾圖像的調制相位，為脈沖調制信號中光帶圖像的調制相位。
[0018]一種鏡面目標輪廓光學測量系統，包括計算機系統、采集單元和光源單元；所述采集單元包括三臺C⑶像機，三臺C⑶像機分別與計算機系統有線連接；所述光源單元包括三臺激光器，三臺激光器分別與計算機系統有線連接。
[0019]進一步地，所述采集單元三臺激光器發出的線型激光位于同一平面內。
[0020]本發明的有益效果是:本發明通過對鏡面目標面形數據進行提取，解決了 CCD傳感器必須和被測鏡面物體所在的空間位置必須滿足反射定律問題，大大提高了測量系統的通用性，不需要為待測量鏡面目標專門設計測量系統；同時通過對光帶圖像和干擾圖像進行反相迭加相關運算得到凈化圖像，解決了鏡面目標的反光問題和強背景光中獲取目標真實圖像問題，消除了鏡面目標三維測量中鏡面目標反射環境光對測量結果的影響，能夠得到清晰、準確、有效的鏡面目標三維輪廓圖像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法流程示意圖。
[0022]圖2是本發明的鏡面目標面形數據提取原理示意圖。
[0023]圖3是本發明的鏡面目標三維輪廓測量系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0025]如圖1所示，為本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法流程示意圖。本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法主要包括鏡面目標面形數據提取和鏡面目標三維輪廓重構兩個過程。如圖2所示，為本發明的鏡面目標面形數據提取原理示意圖。如圖3所示，為本發明的鏡面目標三維輪廓測量系統結構示意圖。本發明的鏡面目標輪廓光學測量系統包括計算機系統、采集單元和光源單元。采集單元包括三臺CCD像機，用于采集鏡面目標反射的光學信號，三臺CCD像機分別與計算機系統有線連接。光源單元包括三臺激光器，用于為本發明的鏡面目標三維輪廓測量系統提供光源，三臺激光器分別與計算機系統有線連接。三臺激光器發出的線型激光位于同一平面內，保證獲取準確的鏡面目標輪廓線，提高本發明的鏡面目標三維輪廓測量方法的測量精度。本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法具體包括以下步驟:
[0026]S1.利用計算機軟件發出脈沖調制信號對激光器進行調制，激光器輸出線型光束對鏡面目標進行照明；同時利用計算機軟件發出觸發信號，觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的光帶圖像。
[0027]本發明首先通過計算機系統中的計算機軟件向激光器發出脈沖調制信號，對激光器進行調制；再由激光器輸出線型光束作為本發明的光源，對鏡面目標表面進行照明。同時，利用計算機系統中的計算機軟件向CCD圖像傳感器發送觸發信號，CCD圖像傳感器開始同步采集鏡面目標表面的光帶圖像。這里的光帶圖像包括鏡面目標表面散射到CCD圖像傳感器的激光信號和鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號。將光帶圖像的灰度表示為Gl (i, j)。
[0028]S2.關閉激光器，并利用計算機軟件發出觸發信號觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的干擾圖像。
[0029]由于步驟SI中得到的光帶圖像包括了鏡面目標周圍環境通過鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號，為了排除這些光噪聲信號對鏡面目標三維輪廓測量造成的影響，本發明首先關閉激光器，停止對鏡面目標表面輸出線型光束；再利用計算機系統中的計算機軟件向CCD圖像傳感器發送觸發信號，CCD圖像傳感器開始采集鏡面目標表面的干擾圖像。這里的干擾圖像包括鏡面目標表面反射到CXD圖像傳感器的光噪聲信號。將干擾圖像灰度表示為Gb (i，j)。
[0030]S3.對步驟SI中的光帶圖像和步驟S2中的干擾圖像進行反相迭加相關運算，得到鏡面目標表面的凈化圖像。
[0031]本發明通過對光帶圖像和干擾圖像進行反相迭加相關運算，得到鏡面目標表面的凈化圖像。凈化圖像消除了鏡面目標周圍環境通過鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號，只包含鏡面目標表面散射到CCD圖像傳感器的激光信號。這里的反相迭加相關運算公式具體為:
[0032]Gn(i, j) = Gl (i, j) cos(<i)L)+Gb (i, j) cos(<i)B)
[0033]其中，(J)b-(J)L= π , ΦΒ為脈沖調制信號中干擾圖像的調制相位，為脈沖調制信號中光帶圖像的調制相位。
[0034]S4.設定鏡面目標面形數據閾值，選取N幅鏡面目標同一表面位置的凈化圖像進行時域內低通濾波處理，得到鏡面目標面形數據和激光光帶灰度圖像，并判斷N是否達到鏡面目標面形數據閾值。
[0035]由于鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號遠強于鏡面目標表面散射到CCD圖像傳感器的激光信號，因此無法直接提取鏡面目標的面形數據。本發明通過設定鏡面目標面形數據閾值，從鏡面目標表面的所有凈化圖像中選取N幅鏡面目標同一表面位置的凈化圖像，并通過將選取的凈化圖像在時域內進行低通濾波處理，提取得到鏡面目標的面形數據和激光光帶灰度圖像。為了提取得到完整的鏡面目標面形數據和激光光帶灰度圖像，本發明還需要通過判斷N是否達到鏡面目標面形數據閾值來判斷是否提取得到完整的鏡面目標面形數據和激光光帶灰度圖像。
[0036]S5.若N沒有達到鏡面目標面形數據閾值，則返回步驟SI ;gN達到鏡面目標面形數據閾值，則對步驟S4中的激光光帶灰度圖像分別進行中值濾波和均值濾波處理。
[0037]本發明通過對激光光帶灰度圖像分別進行中值濾波和均值濾波處理消除光噪聲信號對本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法造成的影響。
[0038]S6.對步驟S5中處理后的激光光帶灰度圖像進行二值化處理，并利用細化算法提取結構光光條中心。
[0039]本發明對二值化處理后的激光光帶灰度圖像采用細化算法提取激光光帶灰度圖像中單像素寬度的骨架，得到結構光光條中心，這樣可以提高本發明的鏡面目標輪廓光學測量方法的測量精度和測量速度。同時，判斷二值化處理后的激光光帶灰度圖像是否滿足測量要求，不斷改變鏡面目標面形數據閾值進行微調。
[0040]S7.采用最短對角線的輪廓線拼接方法對步驟S4中的鏡面目標面形數據和步驟S6中的結構光光條中心進行處理，重構鏡面目標的三維表面輪廓，并利用VTK軟件系統顯示鏡面目標三維輪廓圖像。
[0041]本發明的鏡面目標輪廓光學測量系統的計算機軟件是在VC6.0中通過編程實現對圖像和測量數據的讀取、處理和保存。
[0042]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種鏡面目標輪廓光學測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.利用計算機軟件發出脈沖調制信號對激光器進行調制，激光器輸出線型光束對鏡面目標進行照明；同時利用計算機軟件發出觸發信號，觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的光帶圖像； 52.關閉激光器，并利用計算機軟件發出觸發信號觸發CCD圖像傳感器同步采集鏡面目標表面的干擾圖像； 53.對步驟SI中的光帶圖像和步驟S2中的干擾圖像進行反相迭加相關運算，得到鏡面目標表面的凈化圖像； 54.設定鏡面目標面形數據閾值，選取N幅鏡面目標同一表面位置的凈化圖像進行時域內低通濾波處理，得到鏡面目標面形數據和激光光帶灰度圖像，并判斷N是否達到鏡面目標面形數據閾值； 55.若N沒有達到鏡面目標面形數據閾值，則返回步驟SI;SN達到鏡面目標面形數據閾值，則對步驟S4中的激光光帶灰度圖像分別進行中值濾波和均值濾波處理； 56.對步驟S5中處理后的激光光帶灰度圖像進行二值化處理，并利用細化算法提取結構光光條中心； 57.采用最短對角線的輪廓線拼接方法對步驟S4中的鏡面目標面形數據和步驟S6中的結構光光條中心進行處理，重構鏡面目標的三維表面輪廓，并利用VTK軟件系統顯示鏡面目標三維輪廓圖像。
2.如權利要求1所述的鏡面目標輪廓光學測量方法，其特征在于:所述光帶圖像包括鏡面目標表面散射到CCD圖像傳感器的激光信號和鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號。
3.如權利要求1所述的鏡面目標輪廓光學測量方法，其特征在于:所述干擾圖像包括鏡面目標表面反射到CCD圖像傳感器的光噪聲信號。
4.如權利要求1所述的鏡面目標輪廓光學測量方法，其特征在于:所述凈化圖像包括鏡面目標表面散射到CCD圖像傳感器的激光信號。
5.如權利要求1所述的鏡面目標輪廓光學測量方法，其特征在于:所述反相迭加相關運算公式為:
Gn(i, j) = GL(i, j) Cos((J)l)+Gb (i, j)cos(<i)B) 其中，ΦΒ-(Κ= Ji，GL(i，j)為光帶圖像灰度，GB(i，j)為干擾圖像灰度，Gn(i，j)為凈化圖像灰度，ΦΒ為脈沖調制信號中干擾圖像的調制相位，為脈沖調制信號中光帶圖像的調制相位。
6.一種鏡面目標輪廓光學測量系統，其特征在于:包括計算機系統、采集單元和光源單元；所述采集單元包括三臺CXD像機，三臺CXD像機分別與計算機系統有線連接；所述光源單元包括三臺激光器，三臺激光器分別與計算機系統有線連接。
7.一種鏡面目標輪廓光學測量系統，其特征在于:所述采集單元三臺激光器發出的線型激光位于同一平面內。
【文檔編號】G01B11/24GK104266607SQ201410484119
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】余學才, 王玉杰, 毛康, 紀國超 申請人:電子科技大學