基于线性透镜阵列的面结构光三维测量方法

赵　灿,　陈　秀

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)



基于线性透镜阵列的面结构光三维测量方法

赵灿,陈秀

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)

面结构光测量无法处理类镜面物体由反光产生的强光区域,且无法提取物体在阴影区域里的有效信息,造成测量噪声大和测量数据不完整。基于正弦光栅的面结构光测量方法，提出一种基于线性透镜阵列的面结构光三维测量方法,通过在测量设备和被测量物体间加装线性透镜阵列,使得正弦光栅在竖直方向把一维的光线转化为一个二维反射光的光域,有效地解决了结构光在测量过程中存在的反光及阴影问题。经过理论分析与实验验证,该方法切实可行。

透镜阵列; 面结构光; 反光; 阴影

0　引　言

面结构光三维测量是将一定模式的光栅条纹图像投射到待测物表面,依据被测物形状调制其发生变形的光栅图,进而计算被测物的三维信息数据的一种主动式光学测量技术[1-2]。因其恢复被测物体的信息准确、快速,已被广泛应用于产品检测、目标识别、逆向工程等许多领域[3-5]。但结构光测量方法也存在局限性,主要表现为两方面:其一是反光。当光和待测的反光物体同时存于测量区域内,传感器接收到的是反射光而非物体的特征信息[6]。常见的应对高亮度场景的技术是包围曝光,然而这项技术需要处理不同曝光下的多幅图像,大大增加了测量时间。其二是阴影。结构光测量方法需要传感器与光源之间有一定的间隙(用三角法计算深度),这使得到的图像中产生强烈的阴影,在深度图上会出现一个“洞”。多束光源的方法可使图中产生的“洞”被其他光源所弥补[6],但多束光源需要循环的激活,由此增加图像的数量、延长测量时间。故测量完整的点云,结构光视觉方法一定要突破反光和暗影的限制。经研究发现，基于正弦光栅的面结构光测量方法的光栅灰度值是按水平方向成正弦周期变化的，其竖直方向是一致的。光栅在沿竖直方向经线性透镜阵列散射后，可降低测量过程中的反光与阴影。因此，笔者通过理论分析与实践,给出相应的解决方法,在保证精度的同时提高测量效率。

1　基于线性阵的面结构光测量原理

1.1相位测量原理

应用相位移技术的相位测量轮廓术(PMP,phase measurement profilometry)是一种典型的面结构光三维面型测量方法[4]。其基本原理是通过数字投影机(DLP或LCD)将不同频率的带有相位移动的正弦光栅投射到被测量物体表面,应用相移算法进行相位计算与相位解包裹[7]。图1为文中采用四步相移方法投射的正弦光栅图案。其中的ω1、ω2和ω3代表三种不同的频率。每个频率的正弦光栅相移π/2后,光栅光强用如下公式表示:

I1(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ(x,y),

(1)

I2(x,y)=A(x,y)-B(x,y)sinφ(x,y),

(2)

I3(x,y)=A(x,y)-B(x,y)cosφ(x,y),

(3)

I4(x,y)=A(x,y)+B(x,y)sinφ(x,y)。

(4)

式中的A(x,y)表示背景光强,B(x,y)表示调制光强,式(1)～(4)削去A(x,y)和B(x,y)得

式中的 φ(x,y)就是要求解的折叠相位值。应用文献[7]中的方法进行折叠相位展开。

图1　投射的光栅

1.2线性阵列散射原理

由正弦光栅分析可知:(1)正弦光栅沿着x方向呈正弦变化,在y方向的光强值相同。可将这种在y方向上的正弦光栅看作是由一组具有相同光强的平行光组成。(2)y方向上的光强通过具有线性阵列的透镜散射后,光强只是在透镜的散射轴方向散射,也就是沿着y方向散射,不改变x方向的正弦性。

基于上述分析,文中提出了一种简单有效的方法来抑制面结构光相位轮廓测量过程中由反光与阴影造成的测量数据不完整的问题,即在面结构光投射装置和被测量物体之间加装一块线性透镜阵列透镜,使得原本强反光的区域反光强度减弱,原本有阴影的区域也能观察到光栅条纹,具体原理如图2所示。当一束平行光直接照射到场景中的反光球体后,在无线性阵列透镜时,点P位于球体的强反光区域,相机拍摄的图像会出现过饱和现象,该点无法测量;点Q位于球体的下侧区域,光栅条纹无法覆盖该区域,无光线进入相机,无法实现该点测量;点R位于球体的阴影区,出现了遮挡现象也无法测量到该点。当加入线性透镜阵列后,一条光线经过散射之后形成一组扇面光,P点被一组光线照射,极大的减轻了该点的反光,有部分散射光线会照射到Q点和R点,进而减轻遮挡和阴影的影响。

图2　加入线性透镜前后的原理

2　实　验

2.1硬件及组成

为验证上述加入线性透镜阵列的结构光三维测量方法,搭建了线性透镜阵列面结构光三维扫描系统(图3)。该系统由投射器(1 024×768)、相机(BaslerA102f1 392×1 040)、计算机及透镜阵列(EdmundopticspartnumberNT43-02912×12)组成。

图3　线性透镜阵列面结构光三维扫描系统

2.2实验

2.2.1阴影

图4为对石膏人像加入线性透镜阵列前后光栅条纹覆盖区域的对比图,图5为加入线性透镜阵列前后点云数据对比图。

图4　光栅条纹覆盖效果

图4a为普通结构光下投射光栅的图,可见人像两侧鼻翼和脸腮部为阴影区。图5a的点云数据中对应阴影区的信息提取不完整,图4b为加入透镜阵列后投射的光栅图。比较图4发现,普通结构光阴影部分经过线性透镜阵列将光线转化后,阴影区域消失,被光栅条纹覆盖,对应图5b人像的点云数据获得的更完整。

图5　点云数据

2.2.2反光

图6为对叶片榫头反光部分进行实验的过程图,图7为加入线性透镜阵列前后点云数据对比图。观察加入线性透镜阵列前后的效果图可发现,加入透镜阵列前(图6a),与光栅垂直的平面部分有刺眼的强光反射,物体反光部分无法测量(图7a),加入透镜阵列过程中(图6b),测量场景中的光变的柔和,加入透镜阵列后(图6c),榫头表面有光栅条纹覆盖,被测物体的三维信息获得的基本完整(图7b)。

图8为加入线性透镜阵列前后误差分析对比图。测得点云数据后,应用Geomagicqualify进行误差分析,加入透镜阵列测得的点云数据精度高于普通结构光测得的点云。普通光线经加入线性透镜阵列转化为光域后,测得的点云趋于完整,不需要依靠自动补点,所以大范围的偏差值明显减少。

图6　反光效果

图7　点云数据

图8　面结构光误差分析

3　结束语

针对面结构光测量时遇到的反光及阴影问题,提出一种基于线性透镜阵列的面结构光三维测量方法,建立线性透镜阵列三维扫描实验系统,并应用Geomagicqualify软件,对精度进行比对分析。经实验验证,测量同一物体时,加入线性透镜阵列的面结构光在精度和效率上都优于普通的面结构光。这对面结构光测量具有实际意义。

[1]CHENF,BROWNGM,SONGM.Overviewofthree-dimensionalshapemeasurementusingopticalmethods[J].OpticalEngineering, 2000, 39(1): 10-22.

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[4]李中伟. 基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2009.

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(编辑晁晓筠)

Structured light 3D measurement method based on linear lens array

ZHAOCan,CHENXiu

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at an answer to the surface structured light measurement method incapable of coping with the specular object produced by the reflective area and recovering effective information on objects in the shaded area, thus producing a greater measurement noise and incomplete measurement data, this paper, drawing on surface structured light measurement method of the sinusoidal illumination patterns, proposes a linear lens array-based structured light 3D measurement method. The method affords an effective solution to the presence of specularities and shadow negatively affecting structured light measurement process, by installing a linear lens array between the measuring device and measured object and turning the sinusoidal illumination patterns in the vertical direction from one-dimensional light into two-dimensional reflected light field. The theoretical analysis and experimental verification show feasibility of the method.

lens array; surface structured light; specularities; shadows

2013-05-27

国家自然科学基金面上项目(51075128);国家科技重大专项项目(2010ZX04016-012)

赵灿(1958-),男,辽宁省阜新人,教授,硕士,研究方向:高速加工与精密测量,E-mail:zhaocan-hist@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.013

TH741

1671-0118(2013)05-0459-04

A