本發(fā)明屬于機(jī)器視覺成像技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于單目視覺的曲面高度信息測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

在視覺技術(shù)中，為了測(cè)量曲面的高度信息，至少需要從多個(gè)角度獲取被測(cè)曲面的多個(gè)圖像。已有的方法通常是利用兩個(gè)或者多個(gè)相機(jī)進(jìn)行采圖，并利用幾何約束條件獲得被測(cè)曲面的三維信息；或者僅利用一個(gè)相機(jī)從多個(gè)角度進(jìn)行采圖。然而對(duì)前者來說，由于必需利用多個(gè)相機(jī)，在提高成本的同時(shí)，還存在多相機(jī)系統(tǒng)中相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定非常繁瑣的問題，而且對(duì)于最終的測(cè)量精度往往也影響較大。對(duì)于后者來說，雖然只使用了一個(gè)相機(jī)，但操作時(shí)通常需要頻繁改變相機(jī)的空間位置，操作繁瑣且往往無法保證精確的移動(dòng)位置，同樣會(huì)不利于最終的測(cè)量精度。

通過檢索發(fā)現(xiàn)，cn201510248456.4公開了一種具有三角測(cè)距功能的單目視覺傳感器，其由激光器發(fā)出激光束，經(jīng)過聚焦鏡組之后形成一束準(zhǔn)直激光束，在被測(cè)目標(biāo)表面形成激光光斑；成像鏡組將被測(cè)目標(biāo)(連同激光光斑一起)成像到成像器件表面上，然后通過計(jì)算來獲得被測(cè)目標(biāo)的二維信息與距離信息，從而實(shí)現(xiàn)了利用單目視覺傳感器獲取被測(cè)目標(biāo)的三維信息。

然而，進(jìn)一步的研究表明，上述現(xiàn)有方案只適用于針對(duì)平面物體的測(cè)量，而在曲面物體測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合很難有效使用；尤其是，它只能測(cè)定被測(cè)物體到相機(jī)的距離信息，而無法獲得被測(cè)物體在離面方向的變形信息，而后者對(duì)于曲面測(cè)量應(yīng)用來說是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。相應(yīng)地，本領(lǐng)域亟需針對(duì)上述技術(shù)問題尋求更為完善的解決方案，以滿足目前日益提高的工藝要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于單目視覺的曲面高度信息測(cè)量裝置及方法，其中結(jié)合各類曲面測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合的特定需求及實(shí)際工況特點(diǎn)，針對(duì)該測(cè)量裝置的整體構(gòu)造布局、以及多個(gè)關(guān)鍵組件的具體組成和設(shè)置方式等多個(gè)方面重新作出設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其測(cè)量算法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，相應(yīng)與現(xiàn)有的曲面測(cè)量方案相比，不僅只需要使用單個(gè)相機(jī)即可高效率完成曲面高度信息測(cè)量，而且整體結(jié)構(gòu)緊湊合理、便于操作，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)顯著提高了最終可獲得的測(cè)量精度，因而尤其適用于曲面信息測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于單目視覺的曲面高度信息測(cè)量裝置，該裝置包括測(cè)量機(jī)架、平行光源組件、檢測(cè)相機(jī)和距離傳感器，其特征在于：

所述測(cè)量機(jī)架呈水平布置的對(duì)稱十字框架的形式，并作為其他組件的安裝基礎(chǔ)；

所述平行光源組件的數(shù)量為四個(gè)，它們各自安裝在所述測(cè)量機(jī)架的四個(gè)相同臂結(jié)構(gòu)的末端下方，并分別可經(jīng)由配套的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)以使其投影角發(fā)生改變；各個(gè)平行光源組件分別均由安裝盒、以及依次分設(shè)在此安裝盒內(nèi)部的平行光管和透射光柵共同組成，其中該平行光管用于向所述透射光柵發(fā)射平行光束，該透射光柵上則刻有寬窄相間的兩種平行刻痕也即具備寬窄相間的透光縫隙，由此使得所述平行光管發(fā)出的平行光束在待測(cè)曲面上可投射形成明暗相間的平行條紋；

所述檢測(cè)相機(jī)的數(shù)量僅為一個(gè)，它固定安裝在所述測(cè)量機(jī)架的中央下方，并與各個(gè)所述平行光源組件相配合，用于對(duì)待測(cè)曲面上所形成的平行條紋執(zhí)行采圖以獲得所需的二維圖像；

此外，以該檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心為原點(diǎn)來建立一個(gè)相機(jī)直角坐標(biāo)系xyz，其中該相機(jī)直角坐標(biāo)系的z軸與所述檢測(cè)相機(jī)的光軸重合且指向該檢測(cè)相機(jī)的下方，其x軸、y軸滿足右手定則，并且四個(gè)所述平行光源組件中的兩個(gè)保持對(duì)稱地處于此x軸上，剩余兩個(gè)同樣保持對(duì)稱地處于此y軸上；類似地，以所述檢測(cè)相機(jī)的成像平面的中心為原點(diǎn)建立一個(gè)圖像直角坐標(biāo)系x′y′z，其中該圖像直角坐標(biāo)系的z軸與所述相機(jī)直角坐標(biāo)系的z軸相重合，其x′軸、y′軸同樣滿足右手定則；接著，在所述檢測(cè)相機(jī)的正下方建立一個(gè)參考直角坐標(biāo)系x"y"z，其中該參考直角坐標(biāo)系的z軸與所述檢測(cè)相機(jī)的光軸重合，其x"軸、y"軸同樣滿足右手定則，并且它的x"y"平面保持與所述相機(jī)直角坐標(biāo)系的xy平面相互平行；

所述距離傳感器分別對(duì)應(yīng)于各個(gè)所述平行光源組件而設(shè)置，并且當(dāng)通過調(diào)整所述測(cè)量機(jī)架的高度使得所述檢測(cè)相機(jī)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，用于在此位置下對(duì)所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心到所述x"y"平面之間的垂直距離h進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用于對(duì)此檢測(cè)相機(jī)的成像平面與該x"y"平面之間的平行度進(jìn)行檢測(cè)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于各個(gè)所述平行光源組件而言，其光軸與所述xy平面之間的初始投影角α優(yōu)選通過下式來計(jì)算獲得：

α＝sin^-1(d/d0)

式中，d表示各個(gè)所述平行光源組件的透射光柵自身具備的光柵常數(shù)；d0表示所述x"y"平面上所形成的明暗相間的平行條紋中，彼此相鄰的兩個(gè)條紋之間的中心距。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于處于所述x軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，兩者在待測(cè)曲面上所投射形成的條紋彼此平行且構(gòu)成第一條紋組；對(duì)于處于所述y軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，兩者在待測(cè)曲面上所投射形成的條紋同樣彼此平行且構(gòu)成第二條紋組；此外，所述第一條紋組與所述第二條紋組之間相互垂直。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于所述透射光柵各自具備的透光縫隙中的透光寬縫與透光窄縫而言，它們的位置按n位二進(jìn)制方式進(jìn)行編碼排序，并優(yōu)選對(duì)這n×2ⁿ條透光縫進(jìn)行編碼；其中n的取值根據(jù)所述檢測(cè)相機(jī)的視場(chǎng)大小來確定，并確保使得所述檢測(cè)相機(jī)所獲得的圖像中條紋數(shù)應(yīng)滿足m>3n-1；此外，所述透光窄縫d2與所述透光寬縫d1之間的寬窄比優(yōu)選滿足公式d1/d2≥2。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于處于所述x軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的x軸坐標(biāo)x優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

x＝x’×(d×tanax)/(f-x’tanax)

式中，d表示各個(gè)所述平行光源組件的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；f為所述檢測(cè)相機(jī)的焦距；ax分別表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；x′分別表示在所述檢測(cè)相機(jī)所獲得的二維圖像中，與所述點(diǎn)p保持對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)p′的x′軸坐標(biāo)值。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于處于所述y軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的y軸坐標(biāo)y優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

y＝y(tǒng)’×(d×tanay)/(f-y’tanay)

式中，d表示各個(gè)所述平行光源組件的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；f為所述檢測(cè)相機(jī)的焦距；ay分別表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；y′分別表示在所述檢測(cè)相機(jī)所獲得的二維圖像中，與所述點(diǎn)p保持對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)p′的y′軸坐標(biāo)值。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于處于所述x軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向上的變形量hx優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

hx＝|x–{(hcotax-d)±(kx×d/sinax)}|×tanax

式中，x表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的x軸坐標(biāo)值；h表示當(dāng)所述檢測(cè)相機(jī)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，該檢測(cè)相機(jī)的透鏡中心到所述x"y"平面之間的垂直距離；ax分別表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；d表示各個(gè)所述平行光源的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；d表示各個(gè)所述平行光源組件的透射光柵自身具備的光柵常數(shù)；此外，kx表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成的多個(gè)平行條紋中包含p點(diǎn)的條紋的序號(hào)，kx為自然數(shù)，且從沿x軸最中心的條紋開始計(jì)數(shù)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于處于所述y軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向上的變形量hy優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

hy＝|y–{(hcotay-d)±(ky×d/sinay)}|×tanay

式中，y表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的y軸坐標(biāo)值；h表示當(dāng)所述檢測(cè)相機(jī)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，該檢測(cè)相機(jī)的透鏡中心到所述x"y"平面之間的垂直距離；ay分別表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；d表示各個(gè)所述平行光源的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；d表示各個(gè)所述平行光源組件的透射光柵自身具備的光柵常數(shù)；此外，ky表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成的多個(gè)平行條紋中包含p點(diǎn)的條紋的序號(hào)，ky為自然數(shù)，且從沿y軸最中心的條紋開始計(jì)數(shù)。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的曲面高度信息測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

步驟一：首先利用所述四個(gè)距離傳感器分別測(cè)量其到所述x"y"平面的距離信息，根據(jù)所得距離信息來調(diào)整x"y"平面位姿，使其與所述檢測(cè)相機(jī)成像平面保持平行；同時(shí)，對(duì)所述距離傳感器與所述檢測(cè)相機(jī)光心之間在z軸方向的差值進(jìn)行補(bǔ)償，然后測(cè)量并確定所述檢測(cè)相機(jī)的光心到所述x"y"平面之間的的垂直距離h；

步驟二：使用所述一組平行光源組件在待測(cè)曲面上投射出寬窄相間的明亮條紋，并采用所述電機(jī)帶動(dòng)該平行光源組件旋轉(zhuǎn)，使得條紋緩慢掃過整個(gè)待測(cè)區(qū)域；所述檢測(cè)相機(jī)采圖，并記下各圖像的投影角α；接著，依次使用剩余三組所述平行光源組件，重復(fù)上述步驟，分別得到在所述四組平行光源組件所投射的條紋下待測(cè)區(qū)域的四組圖像；

步驟三：針對(duì)所得到的四組圖像，分別計(jì)算得到各個(gè)所述平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向的變形量，進(jìn)而通過加權(quán)求平均值的方式來計(jì)算求出實(shí)際變形量；

步驟四：移動(dòng)測(cè)量機(jī)架，依次遍歷完整個(gè)待測(cè)曲面，重復(fù)進(jìn)行步驟一至步驟三，直至獲得整個(gè)待測(cè)曲面所有點(diǎn)的高度信息為止，由此完成整體的曲面高度測(cè)量過程。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明中通過對(duì)曲面高度信息測(cè)量裝置的整體構(gòu)造布局重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，尤其是一些關(guān)鍵組件如測(cè)量機(jī)架、平行光源組件和檢測(cè)相機(jī)的具體組成結(jié)構(gòu)和設(shè)置方式作出改進(jìn)，相應(yīng)不僅能夠緊使用單個(gè)相機(jī)即可完成曲面高度信息的整體測(cè)量過程，而且與現(xiàn)有設(shè)備相比其結(jié)構(gòu)更為緊湊合理、便于操控，而且顯著提高了最終可獲得的測(cè)量精度；

2、本發(fā)明中各組件的參數(shù)選擇可根據(jù)所需測(cè)量精度進(jìn)行選擇，相應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中具備適用性強(qiáng)和便于根據(jù)工況高效操作的特定；例如，當(dāng)測(cè)量精度要求不高時(shí)，可通過增大按照本發(fā)明的平行光源組件的條紋間距的方式來進(jìn)行操作，由此減少測(cè)量數(shù)據(jù)，提高測(cè)量速度，同時(shí)還有利于增大相機(jī)視場(chǎng)范圍，大大提高了測(cè)量速度；而當(dāng)測(cè)量精度要求高時(shí)，則可通過減小條紋間距的方式來進(jìn)行操作，測(cè)量數(shù)據(jù)增多，精度提高；同時(shí)還有利于減小相機(jī)視場(chǎng)范圍，增大圖像像素，同樣大大提高了測(cè)量精度；

3、本發(fā)明中還結(jié)合平行光源組件的構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)其條紋編碼方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，相應(yīng)使得在圖像處理過程中能夠快速辨別各條紋，加快了檢測(cè)速度；此外，本發(fā)明中成組的平行光源可形成多組條紋，不僅避免了曲面變化大導(dǎo)致一側(cè)條紋投射不到的問題，還可對(duì)同一點(diǎn)多次測(cè)量，通過計(jì)算得到更為精確的高度信息；

4、本發(fā)明中還結(jié)合以上裝置構(gòu)造設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)在xyz多軸上的坐標(biāo)值及變形量計(jì)算公式作出了針對(duì)性測(cè)量，實(shí)際測(cè)試表明不僅可簡化運(yùn)算處理過程，可以計(jì)算獲得數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比具備精度高、便于后續(xù)處理等特點(diǎn)，因而與傳統(tǒng)處理算法相比可顯著提高曲面高度測(cè)量的最終精度。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的基于單目視覺的曲面高度信息測(cè)量裝置的整體構(gòu)造示意圖；

圖2是圖1中所示測(cè)量機(jī)架及安裝其上的平行光源組件、距離傳感器和檢測(cè)相機(jī)的具體布置示意圖；

圖3是用于示范性說明為了便于后期計(jì)算處理而構(gòu)建的多個(gè)坐標(biāo)系的示意圖；

圖4是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計(jì)的平行光源組件的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是用于示范性說明平行光源組件投射形成多個(gè)條紋的原理圖；

圖6是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施可采用的、對(duì)平行光源組件所形成的多個(gè)條紋進(jìn)行編碼處理所獲得的示意圖；

圖7是用于解釋說明以檢測(cè)相機(jī)為中心、運(yùn)用三角測(cè)量幾何原理執(zhí)行曲面高度信息測(cè)量的示意圖；

圖8是用于示范性說明按照本發(fā)明的上述測(cè)量裝置在x"y"平面上投射形成的條紋示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的基于單目視覺的曲面高度信息測(cè)量裝置的整體構(gòu)造示意圖，圖2是圖1中所示測(cè)量機(jī)架及安裝其上的平行光源組件、距離傳感器和檢測(cè)相機(jī)的具體布置示意圖。如圖1和圖2所示，該糾偏器主要包括測(cè)量機(jī)架10、平行光源組件30、檢測(cè)相機(jī)20和距離傳感器40等組件，下面將對(duì)其逐一進(jìn)行具體說明。

測(cè)量機(jī)架10在本發(fā)明可設(shè)計(jì)為呈水平布置的對(duì)稱十字框架的形式，并作為其他組件的安裝基礎(chǔ)。

平行光源組件30的數(shù)量為四個(gè)，它們各自安裝在所述測(cè)量機(jī)架10的四個(gè)相同臂結(jié)構(gòu)的末端下方，并分別可經(jīng)由配套的電機(jī)50來驅(qū)動(dòng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)以使其投影角發(fā)生改變，其中，電機(jī)50固定于測(cè)量機(jī)架上，而平行光源組件30與電機(jī)軸相連，即電機(jī)50可帶動(dòng)平行光源組件30旋轉(zhuǎn)；更具體地，如圖2中所示。作為本發(fā)明的關(guān)鍵改進(jìn)之一，各個(gè)平行光源組件分別均由安裝盒31、以及依次分設(shè)在此安裝盒內(nèi)部的平行光管32和透射光柵33共同組成，其中該平行光管32用于向所述透射光柵33發(fā)射單色的平行光束，該透射光柵33上則刻有寬窄相間的兩種平行刻痕也即具備寬窄相間的透光縫隙，由此使得所述平行光管32發(fā)出的平行光束在待測(cè)曲面上可投射形成明暗相間的平行條紋。

同時(shí)參看圖4可見，平行光源組件30中，平行光管32與透射光柵33固定于安裝盒30內(nèi)。平行光管32可產(chǎn)生平行的單色光束；透射光柵33上刻有如圖5所示不透光平行刻痕，從而在刻痕之間形成寬窄不同的透光縫。透光縫中心線到相鄰刻痕中心線之間距離為光柵常數(shù)d，透光寬縫寬度為d1，透光窄縫寬度為d2。平行光管32發(fā)出的平行光經(jīng)過透射光柵33后在待測(cè)曲面上形成寬窄不同的條紋。為保證不產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，平行光管32的單色光波長λ應(yīng)根據(jù)透光縫寬度來進(jìn)行選取，但必須小于透光縫寬度，即λ<min{d1,d2}。再根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇，波長λ越小，衍射現(xiàn)象越不明顯。

此外，按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，如圖6所示，平行光源組件30產(chǎn)生的條紋光束可在x"y"平面上形成多個(gè)條紋，其中用“1”表示細(xì)條紋，用“0”表示粗條紋。通過此種編碼方式，即可辨別檢測(cè)相機(jī)20拍攝圖像中的待測(cè)曲面上條紋與x"y"平面上條紋的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)相機(jī)20拍攝到待測(cè)曲面上條紋為“001010011”，可能結(jié)果有三種：“0”“010”“100”“11”、“00”“101”“001”“1”和“001”“010”“011”，分別對(duì)應(yīng)序號(hào)為“x123x2”、“x351x4”、“123”。其中，x1不為1且x2大于4，故第一組錯(cuò)誤；第二組序列也錯(cuò)誤；因此只剩第三組序列，且符合編碼規(guī)則。視場(chǎng)中每條條紋均能正確識(shí)別。

作為本發(fā)明的另一關(guān)鍵改進(jìn)，檢測(cè)相機(jī)20的數(shù)量僅為一個(gè)，它固定安裝在所述測(cè)量機(jī)架10的中央下方，并與各個(gè)所述平行光源組件30相配合，用于對(duì)待測(cè)曲面上所形成的平行條紋執(zhí)行采圖以獲得所需的二維圖像。

此外，如圖3示范性所示，可以該檢測(cè)相機(jī)20的透鏡光心為原點(diǎn)來建立一個(gè)相機(jī)直角坐標(biāo)系xyz，其中該相機(jī)指教坐標(biāo)系的z軸與所述檢測(cè)相機(jī)20的光軸重合且指向該檢測(cè)相機(jī)的下方，其x軸、y軸滿足右手定則，并且四個(gè)所述平行光源組件30中的兩個(gè)保持對(duì)稱地處于此x軸上，剩余兩個(gè)同樣保持對(duì)稱地處于此y軸上；類似地，以所述檢測(cè)相機(jī)20的成像平面的中心為原點(diǎn)建立一個(gè)圖像直角坐標(biāo)系x′y′z，其中該圖像直角坐標(biāo)系的z軸與所述相機(jī)指教坐標(biāo)系的z軸相重合，其x′軸、y′軸同樣滿足右手定則；接著，在所述檢測(cè)相機(jī)20的正下方建立一個(gè)參考直角坐標(biāo)系x"y"z，其中該參考直角坐標(biāo)系的z軸與所述檢測(cè)相機(jī)的光軸重合，其x"軸、y"軸同樣滿足右手定則，并且它的x"y"平面保持與所述相機(jī)直角坐標(biāo)系的xy平面相互平行。

重新參看圖2，四個(gè)距離傳感器40分別對(duì)應(yīng)于各個(gè)所述平行光源組件30而設(shè)置，并且當(dāng)通過調(diào)整所述測(cè)量機(jī)架10的高度使得所述檢測(cè)相機(jī)(20)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，用于在此位置下對(duì)所述檢測(cè)相機(jī)20的透鏡光心到所述x"y"平面之間的垂直距離h進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用于對(duì)此檢測(cè)相機(jī)20的成像平面與該x"y"平面之間的平行度進(jìn)行檢測(cè)。所述電機(jī)50的電機(jī)軸與檢測(cè)相機(jī)20光心同在xy平面的平行面上，且平行光管32的透鏡光心在電機(jī)軸所在直線上，從而保證在電機(jī)50轉(zhuǎn)動(dòng)改變投影角α角度時(shí)，平行光管32透鏡光心與檢測(cè)相機(jī)20光心的相對(duì)位置不變，故其水平距離d保持不變。

下面將更具體地解釋按照本發(fā)明的測(cè)量工藝過程。

首先，如圖7所示，顯示了以檢測(cè)相機(jī)為中心、運(yùn)用三角測(cè)量幾何原理執(zhí)行曲面高度信息測(cè)量的示意圖。其中，僅畫出在x軸上的平行光源組件30，其在待測(cè)曲面上所投射條紋與y軸平行，故只需其x軸坐標(biāo)信息；而在y軸上的兩組平行光源組件30，其在待測(cè)曲面上所投射條紋與x軸平行，故只需其y軸坐標(biāo)信息。由平行光管32發(fā)出的平行光束經(jīng)過透射光柵33后在待測(cè)曲面上形成明暗相間的編碼條紋，覆蓋整個(gè)待測(cè)區(qū)域。以其中某一條紋進(jìn)行闡述，該條紋中心線經(jīng)過點(diǎn)p。此時(shí)，位于x軸上的平行光源組件30光軸與xy平面之間呈投影角α。

假設(shè)點(diǎn)p相機(jī)坐標(biāo)為(x,y,z)，檢測(cè)相機(jī)20所拍得二維圖像中點(diǎn)p的像坐標(biāo)p′為(x′,y′)。則在x軸上的平行光源組件30在待測(cè)曲面上所投射條紋上點(diǎn)p在x軸方向上坐標(biāo)為：

x＝x’×(d×tanax)/(f-x’tanax)(1-1)

式中，d表示各個(gè)所述平行光源組件的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；f為所述檢測(cè)相機(jī)的焦距；ax分別表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；x′分別表示在所述檢測(cè)相機(jī)所獲得的二維圖像中，與所述點(diǎn)p保持對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)p′的x′軸坐標(biāo)值。

而在y軸上的平行光源組件30在待測(cè)曲面所投射條紋上點(diǎn)p在y軸方向上坐標(biāo)為：

y＝y(tǒng)’×(d×tanay)/(f-y’tanay)(1-2)

式中，d表示各個(gè)所述平行光源組件的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；f為所述檢測(cè)相機(jī)的焦距；ay分別表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；y′分別表示在所述檢測(cè)相機(jī)所獲得的二維圖像中，與所述點(diǎn)p保持對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)p′的y′軸坐標(biāo)值。

圖8是用于示范性說明按照本發(fā)明的上述測(cè)量裝置在x"y"平面上投射形成的條紋示意圖。進(jìn)一步地，還需要分別求出處于所述x軸和y軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向上的變形量。

如圖8中所示，僅畫出在x軸上的平行光源組件30在待測(cè)曲面上所投射條紋，其與y軸平行，故只需其x軸坐標(biāo)信息；而在y軸上的平行光源組件30在待測(cè)曲面上所投射條紋與x軸平行，故只需其y軸坐標(biāo)信息。假設(shè)在x軸上的平行光源組件30中透射光柵33某一條紋為中心條紋，則所投射條紋上點(diǎn)在x軸方向上坐標(biāo)為：

x0＝h×cotax-d(1-3)

而在y軸上的平行光源組件30中透射光柵33某一條紋為中心條紋，則所投射條紋上點(diǎn)在y軸方向上坐標(biāo)為：

y0＝h×cotay-d(1-4)

由于透射光柵33上各條紋為等間距(即光柵常數(shù)d)，則在x軸上的平行光源組件30在x"y"平面上投射各條紋的x軸坐標(biāo)為：

xk＝x0±(k×d/sinax)(1-5)

式中，d為光柵常數(shù)；k為距離中心零條紋的第k條條紋，x軸正方向?yàn)?，負(fù)方向?yàn)?；

而則在y軸上的平行光源組件30在x"y"平面上投射各條紋的y軸坐標(biāo)為：

yk＝y(tǒng)0±(k×d/sinay)(1-6)

聯(lián)合以上計(jì)算式，相應(yīng)地可求得，對(duì)于處于所述x軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向上的變形量hx優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

hx＝|x–{(hcotax-d)±(kx×d/sinax)}|×tanax

式中，x表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的x軸坐標(biāo)值；h表示當(dāng)所述檢測(cè)相機(jī)(20)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，該檢測(cè)相機(jī)的透鏡中心到所述x"y"平面之間的垂直距離；ax分別表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；d表示各個(gè)所述平行光源的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；d表示各個(gè)所述平行光源組件的透射光柵自身具備的光柵常數(shù)；此外，kx表示位于所述x軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成的多個(gè)平行條紋中包含p點(diǎn)的條紋的序號(hào)，kx為自然數(shù)，且從沿x軸最中心的條紋開始計(jì)數(shù)。

類似地，對(duì)于處于所述y軸上的兩個(gè)所述平行光源組件而言，其在待測(cè)曲面上所形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向上的變形量hy優(yōu)選分別通過下列公式計(jì)算得出：

hy＝|y–{(hcotay-d)±(ky×d/sinay)}|×tanay

式中，y表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p的y軸坐標(biāo)值；h表示當(dāng)所述檢測(cè)相機(jī)(20)可獲得清晰的所述二維圖像時(shí)，該檢測(cè)相機(jī)的透鏡中心到所述x"y"平面之間的垂直距離；ay分別表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件的光軸與所述xy平面之間的投影角；d表示各個(gè)所述平行光源的平行光管的透鏡光心到所述檢測(cè)相機(jī)的透鏡光心之間的距離；d表示各個(gè)所述平行光源組件的透射光柵自身具備的光柵常數(shù)；此外，ky表示位于所述y軸上的各個(gè)平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成的多個(gè)平行條紋中包含p點(diǎn)的條紋的序號(hào)，ky為自然數(shù)，且從沿y軸最中心的條紋開始計(jì)數(shù)。

以上的曲面高度信息測(cè)量工藝方法可概括如下主要步驟：

步驟一：首先利用所述四個(gè)距離傳感器40分別測(cè)量其到所述x"y"平面的距離信息，根據(jù)所得距離信息來調(diào)整x"y"平面位姿，使其與所述檢測(cè)相機(jī)20成像平面保持平行；同時(shí)，對(duì)所述距離傳感器40與所述檢測(cè)相機(jī)20光心之間在z軸方向的差值進(jìn)行補(bǔ)償，然后測(cè)量并確定所述檢測(cè)相機(jī)20的光心到所述x"y"平面之間的的垂直距離h；

步驟二：使用所述一組平行光源組件30在待測(cè)曲面上投射出寬窄相間的明亮條紋，并采用所述電機(jī)50帶動(dòng)該平行光源組件30旋轉(zhuǎn)，使得條紋緩慢掃過整個(gè)待測(cè)區(qū)域；所述檢測(cè)相機(jī)20采圖，并記下各圖像的投影角α；接著，依次使用剩余三組所述平行光源組件30，重復(fù)上述步驟，分別得到在所述四組平行光源組件30所投射的條紋下待測(cè)區(qū)域的四組圖像；

步驟三：針對(duì)所得到的四組圖像，分別計(jì)算得到各個(gè)所述平行光源組件在待測(cè)曲面上所投射形成條紋上的任一點(diǎn)p在z軸方向的變形量，進(jìn)而通過加權(quán)求平均值的方式來計(jì)算求出實(shí)際變形量；

步驟四：移動(dòng)測(cè)量機(jī)架10，依次遍歷完整個(gè)待測(cè)曲面，重復(fù)進(jìn)行步驟一至步驟三，直至獲得整個(gè)待測(cè)曲面所有點(diǎn)的高度信息為止，由此完成整體的曲面高度測(cè)量過程。

綜上，按照本發(fā)明的曲面高度信息測(cè)量裝置不僅能夠緊使用單個(gè)相機(jī)即可完成曲面高度信息的整體測(cè)量過程，而且與現(xiàn)有設(shè)備相比其結(jié)構(gòu)更為緊湊合理、便于操控，而且顯著提高了最終可獲得的測(cè)量精度；同時(shí)它還應(yīng)用范圍更為廣泛，便于在多種工況下高效率調(diào)整操作參數(shù)，因而更加適用于高效率高精度的各類曲面高度測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。