本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，涉及一種三維輪廓的光學(xué)檢測方法，特別是一種基于激光MEMS振鏡投影的彩色多線激光三維輪廓測量方法。

背景技術(shù)：
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光學(xué)三維測量技術(shù)飛速發(fā)展，因其非接觸、精度高、速度快的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、醫(yī)療健康、數(shù)字娛樂等諸多領(lǐng)域。特別是在工業(yè)在線檢測領(lǐng)域，目前主要運(yùn)用干涉測量法，立體視覺測量法，結(jié)構(gòu)光測量法三類光學(xué)三維測量方法，其中：

1)干涉法精度達(dá)微米級(jí)別，對(duì)測量環(huán)境穩(wěn)定性要求過高，但工業(yè)在線檢測車間現(xiàn)場噪聲難以避免，干擾測量；

2)立體視覺技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但存在著“匹配難”的瓶頸，而且運(yùn)算量巨大，魯棒性差的缺點(diǎn)；

3)結(jié)構(gòu)光測量法分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光及面結(jié)構(gòu)光三類：其中點(diǎn)結(jié)構(gòu)光及線結(jié)構(gòu)光需對(duì)零件逐點(diǎn)或逐層掃描，效率低下，不能滿足高速度及實(shí)時(shí)性要求；面結(jié)構(gòu)光易受物體表面反射干擾，穩(wěn)定性較低。

線結(jié)構(gòu)光測量法，是以一條或多條光線(光刀)圖像來重現(xiàn)物體三維形貌，即從光刀圖像中提取光刀中心位置，然后利用三角測量原理對(duì)光刀中心逐點(diǎn)進(jìn)行求解，來獲得形面三維數(shù)據(jù)。該技術(shù)以其非接觸性、靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)于金屬等高反表面同樣可以進(jìn)行測量等優(yōu)點(diǎn)，然而其缺點(diǎn)在于掃描需要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合降低了測量效率及精度；采用一條光刀測量時(shí)需要多次掃描，效率極低；采用多條光刀測量則存在光刀的識(shí)別和匹配問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于微振鏡投影的彩色多線激光三維測量方法。該測量方法將攝像機(jī)與激光MEMS振鏡投影裝置和線結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)相結(jié)合，首先用計(jì)算機(jī)生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍(lán)三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內(nèi)，安裝一臺(tái)或多臺(tái)彩色相機(jī)，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調(diào)區(qū)分多條不同顏色編碼的線激光；對(duì)每條線激光分別提取線激光中心，根據(jù)投影裝置與攝像機(jī)之間的三角關(guān)系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標(biāo)；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動(dòng)一個(gè)像素，重復(fù)上述過程提取線激光處物體三維坐標(biāo)，直到線激光獲取整個(gè)物體表面的三維坐標(biāo)。該方法的優(yōu)勢在于：可以同時(shí)投影多條彩色線激光，在保證線激光之間互不干涉，保證精度的同時(shí)，極大縮短了測量時(shí)間，減少工作量。

本測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)彩色多線激光測量，在于其硬件優(yōu)勢：采用激光微振鏡投影裝置。該投影裝置可橫向掃描式投影多條彩色線激光，替代了傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中的單色激光器和機(jī)械位移結(jié)構(gòu)；該投影裝置可以編程，按照編碼同時(shí)投影多條不同顏色的彩色線激光，利用彩色相機(jī)對(duì)其進(jìn)行采集和識(shí)別，在保持線激光測量優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大幅縮短測量時(shí)間。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案解決：

一種基于激光MEMS振鏡投影的柔性三維測量方法，將攝像機(jī)與激光MEMS振鏡投影裝置和線結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)相結(jié)合，首先用計(jì)算機(jī)生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍(lán)三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內(nèi)，安裝一臺(tái)或多臺(tái)彩色相機(jī)，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調(diào)區(qū)分多條不同顏色編碼的線激光；對(duì)每條線激光分別提取線激光中心，根據(jù)投影裝置與攝像機(jī)之間的三角關(guān)系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標(biāo)；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動(dòng)一個(gè)像素，重復(fù)上述過程提取線激光處物體三維坐標(biāo)，直到線激光獲取整個(gè)物體表面的三維坐標(biāo)。

本發(fā)明有以下三點(diǎn)有益效果：

1)激光MEMS振鏡投影裝置單幀投影出多條彩色線激光，優(yōu)于一般的非激光投影儀或者單色激光器，在保證精度的同時(shí)，避免逐層或逐點(diǎn)測量，提高測量速度；

2)對(duì)于彩色相機(jī)采集到的變形線激光圖案，利用色調(diào)對(duì)不同顏色編碼的線激光進(jìn)行區(qū)分，避免了多條線激光之間的干擾；

3)二維尺寸測量與三維輪廓測量相結(jié)合，使單次可測量指標(biāo)增多，便于測量具有空間曲率的物體且提高測量精度。

附圖說明：

圖1為雙相機(jī)立體視覺三維輪廓測量系統(tǒng)示意圖；

其中：1為左第一相機(jī)；2為激光MEMS振鏡投影裝置；3為右第二相機(jī)；4為被測物體。

圖2為雙相機(jī)立體視覺三維輪廓測量系統(tǒng)示意圖；

其中：5為攝像機(jī)；2為激光MEMS振鏡投影裝置；4為被測物體。

圖3為投影至檢測樣品的彩色線激光圖像；

其中，圖像垂直于線激光方向的像素總數(shù)為21；每次投影R,B,G,RG,RB,BG,RGB七種彩色線激光；經(jīng)過3次投影遍歷所有投影像素點(diǎn)。

具體實(shí)施方式：

在被測物體正上方設(shè)置一臺(tái)激光MEMS振鏡投影裝置，在其兩側(cè)對(duì)稱放置兩臺(tái)有一定夾角的彩色相機(jī)。首先用計(jì)算機(jī)生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍(lán)三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內(nèi)，安裝一臺(tái)或多臺(tái)彩色相機(jī)，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調(diào)區(qū)分多條不同顏色編碼的線激光；對(duì)每條線激光分別提取線激光中心，根據(jù)投影裝置(或另一臺(tái)攝相機(jī))與攝像機(jī)之間的三角關(guān)系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標(biāo)；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動(dòng)一個(gè)像素，重復(fù)上述過程提取線激光處物體三維坐標(biāo)，直到線激光獲取整個(gè)物體表面的三維坐標(biāo)。

以一臺(tái)激光MEMS振鏡投影裝置和兩臺(tái)彩色攝像機(jī)為例，如圖1所示，具體實(shí)施方案如下步驟進(jìn)行：

第一步，標(biāo)定左第一攝像機(jī)與右第二攝像機(jī)組合成的雙目立體視覺系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)(相機(jī)有效焦距、光心、像元間距、兩相機(jī)坐標(biāo)系間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)；

第二步，用計(jì)算機(jī)生成包含不同顏色編碼的彩色線激光圖案，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面，一臺(tái)(或兩臺(tái))相機(jī)拍攝被測物；

第三步，利用第一步標(biāo)定得到的雙目立體視覺系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)，對(duì)相機(jī)采集到的圖片(或投影儀投射的彩色線激光圖案)進(jìn)行極線校正；

第四步，通過校正后的圖片上每個(gè)點(diǎn)R,G,B三個(gè)彩色通道的灰度值計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的色調(diào)，根據(jù)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的色調(diào)的不同，對(duì)圖像中的多條彩色線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行分離；

第五步，將左右相機(jī)分離出的相同色調(diào)的彩色線激光進(jìn)行圖像處理提取光刀中心，求視差，從而計(jì)算光刀覆蓋區(qū)域的高度信息；

第六步，利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動(dòng)一個(gè)像素，重復(fù)上述過程提取線激光處物體三維坐標(biāo)，直到線激光獲取整個(gè)物體表面的三維坐標(biāo)。

所述第一步所采用的標(biāo)定左第一攝像機(jī)與右第二攝像機(jī)重合視場的XY方向位置關(guān)系的方法如下：

標(biāo)定左第一攝像機(jī)與右第二攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)(相機(jī)有效焦距、光心、像元間距、兩相機(jī)坐標(biāo)系間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)方法如下：

該標(biāo)定為雙相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定，要知道每個(gè)相機(jī)的內(nèi)參，同時(shí)還要知道兩個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，這種位置關(guān)系可以用第二個(gè)相機(jī)在第一個(gè)相機(jī)之間的位姿表示也可以認(rèn)為是第二個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系中的某點(diǎn)的坐標(biāo)到第一個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系中相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

P_c1＝R_rP_c2+T_r

同時(shí)，定義兩個(gè)投影中心之間的平移為平移向量T_r,被稱作基線；世界坐標(biāo)系中的一點(diǎn)P_W投影為第一個(gè)圖像中的P₁點(diǎn)與第二個(gè)圖像中的P₂點(diǎn)；暫時(shí)假設(shè)鏡頭沒有畸變，P_W、O₁、O₂、P₁、P₂在同一平面上；雙相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定中，以空間點(diǎn)投影到左右兩個(gè)相機(jī)的圖像上的投影像素坐標(biāo)與相機(jī)拍攝到的真實(shí)圖像坐標(biāo)距離最小為優(yōu)化目標(biāo)；M_i表示標(biāo)定板上一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，將一個(gè)相機(jī)拍攝到的標(biāo)定圖像看作是第一組，其中標(biāo)志點(diǎn)M_i在圖像上表示為m_i,j,1；將二個(gè)相機(jī)拍攝到的標(biāo)定圖像看作是第二組，其中標(biāo)志點(diǎn)M_i在圖像上表示為m_i,j,2；另外相機(jī)參數(shù)也用向量c表示，它包含兩個(gè)相機(jī)的內(nèi)參，l個(gè)標(biāo)定板在第二個(gè)相機(jī)中的位置參數(shù)，以及兩個(gè)相機(jī)之間的相對(duì)位姿；當(dāng)相機(jī)參數(shù)向量c確定時(shí)，雙目系統(tǒng)的成像模型，以及重建的三角關(guān)系就確定了，也就確定了M_i到第一幅和第二幅圖像的映射π₁(M_i,c)和π₂(M_i,c)；因此雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定的目標(biāo)函數(shù)是：

從而求出最優(yōu)解的c,也就是我們需要的標(biāo)定結(jié)果，包括兩個(gè)相機(jī)的內(nèi)參c＝(f₁,κ₁,s_x1,s_y1,c_x1,c_y1,f₂,κ₂,s_x2,s_y2,c_x2,c_y2)和右相機(jī)坐標(biāo)系在左相機(jī)坐標(biāo)系中的位姿[R_r,T_r]。

所述第二步中所采用的不同顏色編碼的彩色線激光圖案，由計(jì)算機(jī)生成，如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍(lán)三種顏色。設(shè)選取的的彩色線激光一共有k種，投影裝置靶面垂直于線激光方向的像素點(diǎn)數(shù)為M(像素)，則相鄰兩條彩色線激光之間的間隔N(像素)＝M/k(像素)。以圖3為例，所示圖像為M＝21，k＝7時(shí)的情況，相鄰兩條彩色線激光之間的間隔N＝3，所以一共需要三次投影才能完成掃描過程。

所述第四步中，設(shè)彩色相機(jī)采集到的變形線激光的紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道灰度值分別為R、G、B，色調(diào)H的計(jì)算方法為：

num＝0.5*(R-G)+(R-B))；

theta＝acos(num./(den+eps))；(eps--表示大于零的最小正單精度浮點(diǎn)值)

H＝H/(2π)；

所述第五步所采用的光刀中心的提取方法如下：

采用閾值法提取整幅圖中所有光刀骨架，然后求取骨架上每一像素點(diǎn)的法線方向，具體為沿著骨架上的像素點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，曲線擬合的方法為取10個(gè)象素點(diǎn)利用y＝ax²+bx+c進(jìn)行二階擬合，設(shè)(x₀，y₀)為像素點(diǎn)的坐標(biāo)，則(x₀，y₀)點(diǎn)的斜率為t＝2ax₀+b，如果t＝0，則加權(quán)平均方向?yàn)閥方向，如果t≠0，則(x₀，y₀)點(diǎn)的法線斜率為n＝-1/t，加權(quán)平均方向?yàn)榉ň€方向；計(jì)算出圖像的骨架上各點(diǎn)的法線方向后,求取光刀在其法線方向上的灰度分布；最后利用灰度重心法求出該光刀的重心位置,即為被測物體在該處的輪廓點(diǎn)位置,將這些輪廓點(diǎn)連接起來就形成了截面的輪廓線。

本方法也可以采用一臺(tái)激光MEMS振鏡投影系統(tǒng)和一臺(tái)彩色攝像機(jī)實(shí)施，如圖2所示，只需要將上述方案的第一步修改為：標(biāo)定攝像機(jī)與投影裝置組合成的雙目立體視覺系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)(相機(jī)有效焦距、光心、像元間距、畸變系數(shù)等，投影裝置有效焦距、光心、相元間距、畸變系數(shù)等，相機(jī)與投影裝置坐標(biāo)系間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)。其他步驟與上述方案一致，右相機(jī)采集到的圖片由投影裝置投射的原始圖案代替。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。