本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種三維輪廓的光學(xué)混合檢測(cè)方法，是一種光刀光柵混合三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)：
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三維掃描技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了實(shí)現(xiàn)物體快速精確的三維測(cè)量，通常采用多攝像機(jī)拍攝的立體視覺(jué)方法和條紋投影的結(jié)構(gòu)光方法。傳統(tǒng)的相移輪廓術(shù)法能夠測(cè)量任何曲面形狀的物體，測(cè)量范圍廣，但該方法存在標(biāo)定困難，反射率問(wèn)題；雙目立體視覺(jué)法測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單但是存在匹配難的問(wèn)題。而將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，利用相移輪廓術(shù)法測(cè)量出的絕對(duì)相位值輔助立體視覺(jué)法進(jìn)行特征匹配，不僅解決了立體視覺(jué)“匹配難”的問(wèn)題，另外還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了測(cè)量精度。但是該方法測(cè)量對(duì)象具有局限性，不能測(cè)量高反物體，比如金屬表面，高反表面不同角度反射率不均勻，造成局部過(guò)曝光，無(wú)法測(cè)量；

線結(jié)構(gòu)光測(cè)量法是一種傳統(tǒng)三維測(cè)量方法，屬于結(jié)構(gòu)光主動(dòng)測(cè)量技術(shù)。線結(jié)構(gòu)光測(cè)量法，又稱(chēng)光刀法，是以一條或多條光線(光刀)圖像來(lái)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(cè)量原理對(duì)光刀中心逐點(diǎn)進(jìn)行求解，來(lái)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(cè)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(cè)量效率及精度。雖然其測(cè)量效率低，但用于測(cè)量金屬等高反物體。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，激光光刀對(duì)諸如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽輪機(jī)葉片、傘形齒輪、螺旋齒輪等復(fù)雜精密零件的輪廓進(jìn)行測(cè)量有著重要意義。

目前，由于投影裝置限制，光柵法和光刀法必須用兩種測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。一般光柵法為白光投影，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光刀掃描；激光無(wú)法投影光柵，因而無(wú)法通過(guò)同一光源實(shí)現(xiàn)兩種方法的混合測(cè)量。

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)，提供一種光刀與光柵結(jié)合的三維測(cè)量方法，該測(cè)量方法采用MEMS投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)完成光刀和光柵混合測(cè)量，可以快速實(shí)現(xiàn)不同表面特性物體三維輪廓測(cè)量。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的：

一種三維輪廓的光學(xué)混合檢測(cè)方法，步驟1，通過(guò)攝像機(jī)自適應(yīng)識(shí)別物體表面反射率特性選擇測(cè)量模式，模式一是光刀測(cè)量模式；模式二是光柵測(cè)量模式；模式三是光刀、光柵測(cè)量模式。利用MEMS激光投影裝置編程投影沿?cái)z像機(jī)基線掃描的激光光刀，投影裝置發(fā)出同步信號(hào)觸發(fā)攝像機(jī)拍攝物體表面反射的序列光刀圖像，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理，再利用同樣的投影裝置投影可編程激光正弦光柵到物體表面，以2π/n為步長(zhǎng)進(jìn)行n次相移，同步攝像機(jī)拍攝n幅物體表面反射的光柵圖，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理；

步驟2，在模式一中對(duì)計(jì)算機(jī)拍攝的攝像機(jī)拍攝的光刀圖片和投影裝置投影的光柵圖片進(jìn)行極線校正并提取出每條光刀中心像素坐標(biāo)進(jìn)行逐行匹配求視差圖，通過(guò)視差圖與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建；

在模式二中將采集的光柵圖片進(jìn)行極限校求出圖片中每點(diǎn)相位并進(jìn)行相位去包裹利用相位相同進(jìn)行逐行匹配求視差，通過(guò)視差圖與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建；

在模式三中則需要同時(shí)計(jì)算模式一和模式二中兩種視差圖，分別與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建得到兩種三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)物體表面反射率特性將二者融合得到完整物體表面輪廓。所述步驟1：通過(guò)攝像機(jī)自適應(yīng)識(shí)別物體表面反射率特性即測(cè)量前采集被測(cè)物光柵圖片并計(jì)算灰度分布和圖片的對(duì)比度，如果對(duì)比度低于設(shè)定的閾值或灰度達(dá)到255則該區(qū)域選擇光刀測(cè)量模式，并將該區(qū)域設(shè)為ROI(region of interest)為后續(xù)重建做準(zhǔn)備，剩余區(qū)域選擇光柵測(cè)量模式。

第一步，設(shè)置系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)：確定光柵或光刀的工作范圍，根據(jù)工作距離確定最大工作距離L₂，最小工作距離L₁；景深范圍內(nèi)ΔL的最大光斑ω_max；單幀光柵圖或光刀掃描的行數(shù)M，M由激光光束特性決定；

第二步，生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)：根據(jù)第一步確定的系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算MEMS振鏡和激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參數(shù)，并生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。1)MEMS掃描振鏡快軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2)MEMS掃描振鏡慢軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)；3)激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

第三步，生成光柵或光刀：利用第二步中產(chǎn)生的振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MEMS振鏡進(jìn)行二維掃描；利用第二步中產(chǎn)生的激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生光強(qiáng)連續(xù)調(diào)制的激光光束；激光光束以一定的入射角照射到振鏡表面，再經(jīng)過(guò)振鏡反射到物體表面，形成光強(qiáng)連續(xù)調(diào)制的模擬光柵；通過(guò)改變激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、相位；得到不同柵距、相位的光柵。同理利用MEMS振鏡通過(guò)快軸完成水平方向掃描，一個(gè)掃描周期投影一行光刀；慢軸完成豎直方向的掃描，一個(gè)周期對(duì)應(yīng)投影光刀的一幀；在與相機(jī)幀速率匹配的情況下，每幀可采集一條光刀，實(shí)現(xiàn)大分辨率的多光刀投影測(cè)量。

所述步驟2：光柵法在攝像機(jī)拍攝的變形條紋圖中，每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)特定的絕對(duì)相位值，結(jié)合絕對(duì)相位和幾何極線約束，快速的實(shí)現(xiàn)左圖像、右圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亞像素匹配，經(jīng)過(guò)亞像素匹配之后，就從左右兩幅絕對(duì)相位圖中得到各個(gè)點(diǎn)的視差d_w；光刀法則利用灰度重心法求出該光刀的重心位置,即為被測(cè)物體在該處的輪廓點(diǎn)位置，為保證兩幅圖有序求視差，需對(duì)兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)光刀或光點(diǎn)進(jìn)行匹配編號(hào)，實(shí)現(xiàn)快速匹配求出視差。

根據(jù)獲取的視差圖，再經(jīng)攝像機(jī)標(biāo)定內(nèi)外參數(shù)，利用雙目立體視覺(jué)重構(gòu)出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)；例如雙目立體視覺(jué)利用視差原理，根據(jù)光學(xué)三角法獲取被測(cè)物體的深度信息；由步驟2求出的視差d_w帶入(1)式就能重構(gòu)出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)；由三角關(guān)系可得P的三維世界空間坐標(biāo)：

式中f是主距，b是基線長(zhǎng)度；一空間點(diǎn)P的世界坐標(biāo)為(x^w,y^w,z^w)，P在攝像機(jī)成像平面中的坐標(biāo)分別為P₁(u₁,v₁)和P₂(u₂,v₂)。

在模式一中對(duì)計(jì)算機(jī)拍攝的攝像機(jī)光刀圖片進(jìn)行極線校正并提取出每條光刀中心像素坐標(biāo)進(jìn)行逐行匹配求視差圖，通過(guò)視差圖與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建；

在模式二中將采集的光柵圖片進(jìn)行極限校求出圖片中每點(diǎn)相位并進(jìn)行相位去包裹利用相位相同進(jìn)行逐行匹配求視差，通過(guò)視差圖與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建；

在模式三中則需要同時(shí)計(jì)算模式一和模式二中兩種視差圖，分別與雙目立體視覺(jué)標(biāo)定結(jié)果對(duì)物體進(jìn)行三維重建得到兩種三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)物體表面反射率特性將二者融合得到完整物體表面輪廓。有益效果：采用同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)不增加任何硬件設(shè)備情況下實(shí)現(xiàn)光刀光柵兩種測(cè)量方法；采用的投影裝置可以快速投影多光刀，提高了測(cè)量精度與速度。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的工作原理圖；

圖2為本發(fā)明光柵行同步信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明光刀行同步信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

其中：1為驅(qū)動(dòng)板；2為激光器；3為準(zhǔn)直透鏡；4為鏡面；5為MEMS振鏡；6為非球面透鏡；7為光柵圖；8為圓孔光闌；9為激光光束；10為電腦。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4，一種三維輪廓的光學(xué)混合檢測(cè)方法，采用同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)不增加任何硬件設(shè)備情況下實(shí)現(xiàn)光刀光柵兩種測(cè)量方法。

第一步：通過(guò)MEMS激光投影儀實(shí)現(xiàn)激光光刀和光柵投影

首先通過(guò)攝像機(jī)自適應(yīng)識(shí)別物體表面反射率特性即測(cè)量前采集被測(cè)物光柵圖片并計(jì)算灰度分布和圖片的對(duì)比度，如果對(duì)比度低于設(shè)定的閾值或灰度達(dá)到255則該區(qū)域選擇光刀測(cè)量模式，并將該區(qū)域設(shè)為ROI為后續(xù)重建做準(zhǔn)備，剩余區(qū)域選擇光柵測(cè)量模式。

各點(diǎn)灰度值為：

本文高頻采用四步相移，因此各步分別移動(dòng)π/2可得到四個(gè)方程如下：

可得條紋對(duì)比度B為：

如圖1所示，三個(gè)相同的半導(dǎo)體激光器在經(jīng)過(guò)光纖耦合以后，入射到合束棱鏡，合成一束激光，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直以后，被反射鏡反射到MEMS振鏡上。MEMS振鏡在快軸電流、慢軸電流的激勵(lì)下，產(chǎn)生互相垂直的雙模態(tài)振動(dòng)從而將激光束投影到不同的位置，形成二維掃描。激光器在正弦驅(qū)動(dòng)電流和同步信號(hào)的作用下，進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，最終形成高分辨率的正弦光柵。

DLP通過(guò)DMD上集成的微振鏡陣列的偏轉(zhuǎn)來(lái)投影成像，投影方式是面陣投影。由于圖像由離散的像素組成分辨率有限，會(huì)限制投影光刀的數(shù)量，無(wú)法投影多條光刀，影響測(cè)量精度。MEMS激光投影儀利用MEMS振鏡通過(guò)快軸完成水平方向掃描，一個(gè)掃描周期投影一行光刀；慢軸完成豎直方向的掃描，一個(gè)周期對(duì)應(yīng)投影光刀的一幀。在與相機(jī)幀速率匹配的情況下，每幀可采集一條光刀。這種方式可實(shí)現(xiàn)大分辨率的多光刀投影測(cè)量。MEMS激光投影儀，光斑質(zhì)量、精細(xì)度、直線度、均勻性、景深均可達(dá)到較高精度。

第二步：匹配求視差

光柵法可在攝像機(jī)拍攝的變形條紋圖中，每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)特定的絕對(duì)相位值，結(jié)合絕對(duì)相位和幾何極線約束，可以快速的實(shí)現(xiàn)左圖像、右圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亞像素匹配，經(jīng)過(guò)亞像素匹配之后，就可以從左右兩幅絕對(duì)相位圖中得到各個(gè)點(diǎn)的視差d_w。

光刀法則利用灰度重心法求出該光刀的重心位置,即為被測(cè)物體在該處的輪廓點(diǎn)位置，為保證兩幅圖有序求視差，需對(duì)兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)光刀或光點(diǎn)進(jìn)行匹配編號(hào)，可實(shí)現(xiàn)快速匹配求出視差。

第三步：與雙目立體視覺(jué)結(jié)合進(jìn)行重建

根據(jù)獲取的視差圖，再經(jīng)攝像機(jī)標(biāo)定內(nèi)外參數(shù)，利用雙目立體視覺(jué)就能重構(gòu)出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.光柵法測(cè)量

第一步：通過(guò)MEMS激光投影儀實(shí)現(xiàn)光柵投影

如圖3，激光器(可以是不同波段的多個(gè)激光器)，發(fā)出的激光光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡聚焦和準(zhǔn)直之后，得到了滿足第一步設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)直高斯激光光束。為了減小光路體積，激光光束經(jīng)過(guò)一次鏡面反射，穿過(guò)圓孔光闌入射到MEMS振鏡。光闌的作用是去除光束外圍的雜散光，并改善光斑形狀質(zhì)量。光束經(jīng)過(guò)MEMS振鏡反射到被測(cè)物體表面。激光器在驅(qū)動(dòng)板生成的正弦電流信號(hào)的控制下，對(duì)激光光束的亮度進(jìn)行正弦調(diào)制。MEMS振鏡在驅(qū)動(dòng)板生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下，做二維的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光光束進(jìn)行掃描，產(chǎn)生光柵圖。非球面透鏡的可以對(duì)光柵圖進(jìn)行畸變校正，確保得到無(wú)畸變的高質(zhì)量光柵圖。

第二步：匹配求視差

1)標(biāo)定雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，獲得左攝像機(jī)、右攝像機(jī)的內(nèi)參及兩者的位姿參數(shù)；

2)投影儀投影相移條紋圖，左攝像機(jī)、右攝像機(jī)拍攝變形相移條紋圖；

3)對(duì)左右圖像對(duì)進(jìn)行圖像校正，獲得標(biāo)準(zhǔn)的外極線幾何結(jié)構(gòu)；

4)采用三頻變精度解包裹技術(shù)獲取高精度下變形相移條紋圖中的絕對(duì)相位分布；

5)結(jié)合絕對(duì)相位和幾何極線約束，以左圖像為基準(zhǔn)，尋找左圖像的所有像素點(diǎn)在右圖像中的匹配點(diǎn)集，實(shí)現(xiàn)像素級(jí)粗匹配。

6)在原始點(diǎn)和初始匹配點(diǎn)鄰域二維插值，采用NCC模板匹配算法實(shí)現(xiàn)亞像素匹配，就可以從左右兩幅絕對(duì)相位圖中得到各個(gè)點(diǎn)的視差d_w。

第三步：與雙目立體視覺(jué)結(jié)合進(jìn)行重建

雙目立體視覺(jué)利用視差原理，根據(jù)光學(xué)三角法獲取被測(cè)物體的深度信息。由上步求出的視差d_w帶入(4)式就能重構(gòu)出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

由三角關(guān)系可得P的三維世界空間坐標(biāo)：

式中f是主距，b是基線長(zhǎng)度。一空間點(diǎn)P的世界坐標(biāo)為(x^w,y^w,z^w)，P在左、右攝像機(jī)成像平面中的坐標(biāo)分別為P₁(u₁,v₁)和P₂(u₂,v₂)。

2.光刀法測(cè)量

第一步：通過(guò)MEMS激光投影儀實(shí)現(xiàn)光刀投影

1)如圖3，激光器(可以是不同波段的多個(gè)激光器)，發(fā)出的激光光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡3聚焦和準(zhǔn)直之后，得到了滿足第一步設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)直高斯激光光束。為了減小光路體積，激光光束經(jīng)過(guò)一次鏡面反射，穿過(guò)圓孔光闌入射到MEMS振鏡。光闌的作用是去除光束外圍的雜散光，并改善光斑形狀質(zhì)量。光束經(jīng)過(guò)MEMS振鏡反射到被測(cè)物體表面。MEMS振鏡在驅(qū)動(dòng)板生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下，做二維的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光光束進(jìn)行掃描，產(chǎn)生光刀。

2)觸發(fā)相機(jī)與MEMS振鏡掃描周期保持一致，采集每條光刀。

第二步：匹配求視差

1)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

2)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；利用灰度重心法求出該光刀的重心位置,即為被測(cè)物體在該處的輪廓點(diǎn)位置,將這些輪廓點(diǎn)連接起來(lái)就形成了截面的輪廓線。

3)左右兩幅光刀(點(diǎn)陣)圖提取出光刀一一對(duì)應(yīng)求視差d_w

第三步：與雙目立體視覺(jué)結(jié)合進(jìn)行重建

求出視差后與光柵法重建相同，不再贅述。

3.光刀和光柵法測(cè)量

同一被測(cè)表面的不同區(qū)域采用模式一和模式二兩種測(cè)量模式需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，方法是將采集到的光刀圖片與權(quán)利3中得到的ROI相乘只保留ROI包含的數(shù)據(jù)其余區(qū)域置為0，同理提取所采集光柵圖片的非ROI區(qū)域。再對(duì)得到的圖片進(jìn)行后續(xù)匹配求視差方法與上述1、2相同。通過(guò)此預(yù)處理在后續(xù)重建后融合時(shí)可避免數(shù)據(jù)的冗余性及避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的干擾。重建后對(duì)兩種測(cè)量方法得到的三維數(shù)據(jù)直接融合為一個(gè)的模型，對(duì)融合后的模型通過(guò)法線光順消除接縫得到完整模型。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(zhuān)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(jiǎn)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)。