本發(fā)明涉及機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光場(chǎng)單相機(jī)的工業(yè)產(chǎn)品三維形貌實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0進(jìn)程的不斷加深，機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)制造上的重要性也與日俱增，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)器視覺(jué)已成功應(yīng)用到工業(yè)制造中的工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)工業(yè)檢測(cè)中，會(huì)使用多種類型的三維掃描儀對(duì)流水線上的產(chǎn)品做三維尺寸、瑕疵檢測(cè)。三維掃描儀的制作并非仰賴單一技術(shù)，各種不同的重建技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，成本與售價(jià)也有高低之分。目前并無(wú)一體通用之重建技術(shù)，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。例如光學(xué)技術(shù)不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而激光技術(shù)不適用于脆弱或易變質(zhì)的表面。

工業(yè)產(chǎn)品三維檢測(cè)目前采用的主流方法有以下幾種：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維激光掃描技術(shù)、雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)等。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度雖然高，但是價(jià)格比較貴、操作起來(lái)也比較復(fù)雜，尤其是當(dāng)被測(cè)物體的形狀比較復(fù)雜的時(shí)候，測(cè)量的精度就比較慢，從而不可以用在在線測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段，但存在著普遍成本過(guò)高(基本都在100萬(wàn)元以上)，精度、測(cè)距與掃描速率存矛盾、不適用于精密表面等缺點(diǎn)。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)雖然有著較為低廉的成本，但其精度以及對(duì)拍攝條件的要求很高，適用性不強(qiáng)。。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上技術(shù)的述不足，提供一種基于自主開(kāi)發(fā)的光場(chǎng)單相機(jī)三維形貌實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，可以在較低的拍攝窗口需求下，最大程度上減少單臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的成本，增加整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。光場(chǎng)成像技術(shù)通過(guò)單臺(tái)設(shè)備、單拍攝即可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物體的三維形態(tài)測(cè)量，非常適用于替代現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)流水線上的檢測(cè)相機(jī)，在簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)、減低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線上零部件的三維形貌、尺寸測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明包括光場(chǎng)相機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理終端兩部分；光場(chǎng)相機(jī)系統(tǒng)由高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)、多自由度相機(jī)支架、相機(jī)校準(zhǔn)板構(gòu)成，高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)連接于多自由度相機(jī)支架的末端，多自由度相機(jī)支架立于產(chǎn)品流水線的側(cè)面；數(shù)據(jù)處理終端包括gpu高速圖像并行處理單元、光場(chǎng)相機(jī)深度估計(jì)算法、三維重建算法；相機(jī)與gpu高速圖像并行處理單元通過(guò)高速相機(jī)數(shù)據(jù)線連接。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的光場(chǎng)相機(jī)ccd/cmos前精密地安裝上微透鏡陣列，使其能夠在一次拍攝后記錄四維光場(chǎng)信息。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明中，多自由度相機(jī)支架包括三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明相機(jī)固定的支架周圍安裝有均勻的、來(lái)自各個(gè)方向的光照裝置，以提高待測(cè)物體表面的成像質(zhì)量，提高重建精度；待測(cè)物體以相同的姿態(tài)進(jìn)入光場(chǎng)單相機(jī)的拍攝區(qū)域，以保證在相同的拍攝位姿下，得到相同部分的三維形貌。

更優(yōu)選地，本發(fā)明的工作流程包括以下步驟：第一，相機(jī)校準(zhǔn)；第二，拍攝標(biāo)準(zhǔn)件，生成三維形貌數(shù)據(jù)；第三，拍攝待測(cè)物體；第四，生成三維形貌數(shù)據(jù)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)件；第五，反饋質(zhì)量信息。

拍攝前物體前，需要將相機(jī)校準(zhǔn)板置于精密平移臺(tái)上并用相機(jī)拍攝，經(jīng)過(guò)算法處理消除相機(jī)的畸變，得出度量物體實(shí)際深度的系數(shù)。之后將相機(jī)固定于多自由度相機(jī)支架上對(duì)待測(cè)物體的某個(gè)角度或某幾個(gè)角度拍攝，所得的數(shù)據(jù)傳入gpu高速圖像并行處理單元，由特定算法得出三維形貌，并與標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)作對(duì)比，剔除殘次品。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)勢(shì)：首先，相比于普通雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，本發(fā)明采用了單相機(jī)系統(tǒng)，減少相機(jī)的數(shù)量，也就減少了架放相機(jī)時(shí)空間的限制，使得該系統(tǒng)的體積減小，成本減少。由于系統(tǒng)本質(zhì)上的主體是一臺(tái)改裝后的工業(yè)相機(jī)，對(duì)被拍攝物體的要求很低，裝置簡(jiǎn)易，相對(duì)于激光掃描技術(shù)，本測(cè)試系統(tǒng)無(wú)需機(jī)械往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了因機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差。同時(shí)，相比于激光掃描技術(shù)單次測(cè)量?jī)H能提供單點(diǎn)三維數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，光場(chǎng)單相機(jī)可以通過(guò)一次拍攝提供零部件整體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的實(shí)際檢測(cè)工作示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)例校準(zhǔn)示意圖；

圖3是本發(fā)明的工作流程圖；

附圖中各部件的標(biāo)記如下：1、多自由度相機(jī)支架，2、高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)，3、待測(cè)物體流水線，4、gpu高速圖像并行處理單元，5、相機(jī)校準(zhǔn)板，6、待測(cè)物體；

101、相機(jī)校準(zhǔn)過(guò)程，102、拍攝標(biāo)準(zhǔn)件，生成三維形貌數(shù)據(jù)，103、拍攝待測(cè)物體，104、生成三維形貌數(shù)據(jù)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)件，105、反饋三維尺寸、質(zhì)量信息。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

圖1所示的是本發(fā)明的實(shí)際檢測(cè)工作示意圖，包括多自由度相機(jī)支架1、高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2、待測(cè)物體流水線3、gpu高速圖像并行處理單元4和待測(cè)物體6，一臺(tái)高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2固定在多自由度相機(jī)支架1的末端，多自由度相機(jī)支架1能夠控制高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2在一定范圍能實(shí)現(xiàn)六自由度移動(dòng)(三個(gè)平移自由度，三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度)，以拍攝待測(cè)物體流水線3上工件的指定方向三維形貌特征。實(shí)時(shí)拍攝的數(shù)據(jù)經(jīng)由相機(jī)傳送到gpu高速圖像并行處理單元4，經(jīng)過(guò)快速的算法處理后，得到待測(cè)物體三維信息，并于標(biāo)準(zhǔn)件的三維形貌作對(duì)比，若誤差小于允許值則認(rèn)定該物體合格；反之則判定為次品，可為后續(xù)的加工或產(chǎn)品篩選提供可靠的判斷信息。如果需要從各個(gè)角度來(lái)判斷制造質(zhì)量，可以通過(guò)多自由度相機(jī)支架1控制高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2對(duì)指定的方向進(jìn)一步拍攝。

圖2所示的是本發(fā)明的實(shí)例校準(zhǔn)示意圖，包括：高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2和相機(jī)校準(zhǔn)板5。每次改變相機(jī)鏡頭對(duì)焦位置后都必須對(duì)相機(jī)做校準(zhǔn)，以提高三維重建的精度。校準(zhǔn)步驟為，保證相機(jī)校準(zhǔn)板5垂直于相機(jī)的主光軸，多次拍攝，每次拍攝時(shí)都將相機(jī)校準(zhǔn)板5沿著相機(jī)主光軸方向移動(dòng)一段已知的距離。拍攝完畢后經(jīng)由光場(chǎng)相機(jī)校準(zhǔn)算法得到相機(jī)的校準(zhǔn)矩陣，以備在拍攝實(shí)際待測(cè)物體時(shí)使用。

圖3所示的是本發(fā)明的工作流程圖，101是圖2中所介紹的相機(jī)校準(zhǔn)步驟，102是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的拍攝過(guò)程，拍攝后的數(shù)據(jù)可以用于和待測(cè)物體的三維形貌數(shù)據(jù)對(duì)比。103至105是一個(gè)實(shí)際檢測(cè)時(shí)的工作循環(huán)模式，每一次循環(huán)代表了對(duì)某一個(gè)待測(cè)物體的判定過(guò)程。103是對(duì)每一個(gè)待測(cè)物體的用高分辨率光場(chǎng)單相機(jī)2的拍攝以及三維重建過(guò)程，104是將重建得到的數(shù)據(jù)與102得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，105是根據(jù)104中得到的三維形貌誤差，為待測(cè)物體的質(zhì)量做出判定，為生產(chǎn)線對(duì)該物體的后續(xù)處理提供判斷依據(jù)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種屬于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的光場(chǎng)單相機(jī)工業(yè)產(chǎn)品三維形貌實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)包括光場(chǎng)相機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理終端兩部分，光場(chǎng)相機(jī)系統(tǒng)包括一臺(tái)高分辨率的光場(chǎng)相機(jī)、多自由度相機(jī)支架、相機(jī)校準(zhǔn)板，數(shù)據(jù)處理終端包括GPU高速圖像并行處理單元、光場(chǎng)相機(jī)深度估計(jì)算法。本系統(tǒng)用于工業(yè)檢測(cè)時(shí)，光場(chǎng)相機(jī)在事先校準(zhǔn)的情況下，對(duì)待檢物品各個(gè)方位的三維形貌實(shí)時(shí)檢測(cè)，以提升流水線產(chǎn)品裝配效率、減少工業(yè)產(chǎn)品流水線上的次品率。

技術(shù)研發(fā)人員：許晟明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：許晟明
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.22
技術(shù)公布日：2017.07.04