利用彩色結構光的三維快速測量方法
【技術領域】
[0001]本方法主要應用于工業自動化生產的檢測、三維測量，具體如電子制造業的電路板表面貼片安裝生產線的三維自動檢測。
【背景技術】
[0002]在很多工業自動化檢測中，需要測量獲取對象的三維信息數據。傳統的激光三角法三維測量精度較低，速度慢，每次只能測量投影線所在的狹長小區域，完成整個區域測量需要多次投影和處理計算，測量速度慢；或者以少量投影線區域的高度來近似代替整個區域的高度，精度較低。另外一種正弦光柵投影的相位測量輪廓術則需要移動投影光柵相位3次或4次，每次分別采集圖像，然后計算得到圖像上各點額相位，并進行相位展開、相位到高度的轉換等計算，最后來得到圖像上各像素點的高度。該方法在精度、速度上都比激光三角法有了很大改進，但是投影裝置成本高，需要多次采集圖像并進行復雜計算仍然影響其處理速度。本專利設計的方法，利用彩色結構光投影，提高了一次圖像中的測量密度，裝置成本低；不需進行復雜的圖像采集和計算，測量速度大大加快，可用于自動化生產線的實時檢測。
【發明內容】
[0003]激光三角法通過以大約45度的投影角度投影一個線激光，俯視采集圖像，從圖像上的光線被被投影面的高度調制情況可以測量被投影到的線狀區域的三維相對高度。但其測量區域太小，測量全區域需要多次測量。而多條光線被調制后混亂無法區分。多次重復測量速度慢，簡單以該小區域近似代替全部區域則精度低。
[0004]與激光三角法三維測量類似，用投影儀將彩色結構光投影到被測量對象，相機以與投影方向成一定的角度采集圖像，根據圖像進行處理，然后可以計算得到被測量對象的三維高度。整個系統的結構如圖1、彩色結構光投影三維測量系統示意圖。
[0005]彩色結構光為多條一個像素寬度的彩色平行線，如圖2、彩色結構光示意圖。彩色由繪圖中RGB彩色系統三基色組成的七種彩色，七種彩色顏色順序及其三基色成分依次為紅色 r (R:255, G:0、B:0)、綠色 g(R:0、G:255、B:0)、白色 w(R:255、G:255、B:255)、藍色b(R:0、G:0、B:255)、黃色 y(R:255、G:255、B:0)、梅紅 m(R:255、G:0、B:255)、青 c(R:0、G:255,B:255)、紅色r、……(重復循環)。每種彩色后的括號中為構成該種彩色的三基色成分的多少。開始顏色可以為這七種顏色中的任意一種，順序可以完全反過來。這樣可保證任意兩個相鄰的顏色在RGB三個顏色成分上有兩項有很大差異，這樣便于獲取的彩色圖像更容易區分相鄰的顏色線條。
[0006]彩色線條間均勻間距，間距盡可能小，但要保證從紅色到紅色的一個周期間距投影后到水平被測面上產生的兩個線條間距要大于被測對象的最大高度差產生的調制偏移的2倍。
[0007]以一定角度。投影光線與相機采集光心中心線的夾角α應大于O度小于90度，一般取30?35度。投影光線與水平面的夾角Θ的度數為為90-α。
[0008]投影光線在被測量對象表面因其高度差異而會被調制，形成俯視圖上因高度不同而形成的俯視圖上的光線水平偏移，如圖1所示。相對水平偏移量AL與相對高度差ΔΗ之間的關系為:AH= ALXtane。該原理關系如圖3所示。在圖像上光線位置到投影儀垂直投影位置的水平距離L與該位置到投影儀的絕對垂直高度差H間的關系為:H = LXtan Θ。
[0009]多條彩色光線從投影儀投射出來存在發散，并不是平行光線，但是每根彩色線的投影角度均是可以在測量前測量確定的，如圖4所示。
[0010]圖像上看到的相鄰彩色投影光線所在位置間的相對高度差為:ΔΗ=LlXtan θ 1- L2Xtan Θ 2|。其中LI為某種彩色光線在圖像上的位置到投影儀垂直投影位置間的距離，L2為其相鄰的另外一種顏色光線在圖像上的位置到投影儀垂直投影位置間的距離，Θ I為該種彩色投影線與水平面的夾角，Θ 2為該相鄰彩色線的投影夾角。如圖4所示。
[0011]本方法通過采集一幅彩色圖像，就可以計算得到更廣泛區域的三維高度，提高了測量密度，從而提高了整個區域的三維測量精度。由于投影光線的角度是固定的，在測量前即可確定，應此可事先計算好tan Θ I等各角度的正切函數值。實際測量中，只需通過圖像處理確定每條彩色線的中心位置，然后即可通過兩次乘法、一次減法計算即可確定兩個像素間的相對高度。測量計算復雜度低。
[0012]【附圖說明】:圖1是本發明的彩色結構光投影三維測量系統示意圖；圖2是本發明中的彩色投影結構光；圖3是投影光被投影面高度調制示意圖；圖4是本發明中投影的彩色結構光被調制圖像與相對高度間的關系示意圖。
【主權項】
1.用于三維測量的彩色投影結構光圖案，包括彩色順序、彩色平行線結構，具體內容為:彩色結構光為多條一個像素或幾個像素寬度的彩色平行線，彩色由繪圖RGB彩色系統中三基色組成的七種彩色，七種彩色顏色順序及其三基色成分依次為紅色r (R:255, G:0、B:0)、綠色 g (R:0、G:255、B:0)、白色 w (R:255、G:255、B:255)、藍色 b (R:0、G:0、B:255)、黃色 y (R:255、G:255、B:0)、梅紅 m (R:255、G:0、B:255)、青 c (R:0、G:255、B:255)、紅色r、……(重復循環)，每種彩色后的括號中為構成該種彩色的三基色成分的多少，開始顏色可以為這七種顏色中的任意一種，順序可以完全反過來，這樣可保證彩色順序中任意兩個相鄰的顏色在RGB三個顏色成分上有兩項有很大差異，這樣便于獲取的彩色圖像更容易區分相鄰的顏色線條。2.利用彩色結構光投影，在與投影成一定夾角的方向用相機采集圖像，根據圖像上的彩色線條被調制的距離得到投影對象處的三維高度的方法，結果光為多彩色線條，夾角為5度到85度之間。3.圖像上看到的相鄰彩色投影光線所在位置間的相對高度差為:AH=LlXtane 1- L2Xtan θ 2 |，其中LI為某種彩色光線在圖像上的位置到投影儀垂直投影位置間的距離，L2為其相鄰的另外一種顏色光線在圖像上的位置到投影儀垂直投影位置間的距離，Θ I為該種彩色投影線與水平面的夾角，Θ 2為該相鄰彩色線的投影夾角。
【專利摘要】激光三角法三維測量速度慢、精度低，本發明利用多條彩色光線投影代替線激光，測量密度加大，精度、速度提高。整個系統結構類似激光三角法，不同的是用投影儀代替激光發生器，投影出來的是彩色結構光。投影的彩色結構光是由七種顏色循環重復構成的平行光線，光線寬一個像素，七種顏色由RGB彩色系統中的RGB三基色按設計組成，使兩個相鄰的線條顏色在RGB三個顏色成分上有兩項有很大差異。根據投影下采集的俯視圖像，可計算出相鄰位置的高度差，如附圖所示。本方法測量密度高，從而提高了整個區域的三維測量精度，同時測量計算復雜度低，測量速度快。
【IPC分類】G01B11/25
【公開號】CN105157613
【申請號】CN201510295184
【發明人】羅兵, 郭桂平, 韋雄纖
【申請人】五邑大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年6月3日