表面曲率突变光学轮廓测量方法与流程

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种表面曲率突变光学轮廓测量方法。

背景技术：

随着机械、汽车、航天等制造业和服务、制鞋、玩具等民用工业的发展，在模具制造业中对复杂表面进行测量的需要越来越多。迄今为止，光学三维轮廓测量技术已经有了很长时间的发展，已有许多成熟的测量方法。但现有的三维轮廓系统的测量精度、自动化、自适应程度普遍偏低，尤其对复杂结构轮廓的测量，现尚存在许多没有解决的难题。

三维测量是各个应用领域，如制造业、检验、文档分析、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、自动在线检测、质量控制、机器人、医疗诊断和军事等领域中各种智能自主系统中不可分割的一部分。随着现代检测技术的进步，三维测量技术逐步成为人们的研究重点，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，使得光学式三维测量技术得到广泛的应用。

而随着计算机技术和光电技术的发展，基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维复杂曲面非接触式快速测量技术也应运而生。逆向工程，是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术，复杂曲面的逆向工程也是逆向工程的难点之一，它是根据曲面的测量规划，对曲面进行数字化扫描检测，再将数字点云进行曲面重构生成CAD模型，随着机械、汽车、航天等制造业和服务、制鞋、玩具等民用工业的发展，在模具制造业中对复杂表面进行测量的需要越来越多。

光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率，在CAD/CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用，被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。

对于曲率突变的几何物体，一般的三维测量方法都会失效。例如线结构激光法，当线形激光器光刀照射于曲率突变的表面时，受表面突变影响，激光带会变成无大面积无规则形状，从而使轮廓测量失败。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种表面曲率突变光学轮廓测量方法，可准确的判断几何物体曲率突变的位置并作出相应的处理，使得轮廓测量不受影响。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种表面曲率突变光学轮廓测量方法，包括以下步骤：

S1：待测物处于位置j时，利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对待测物进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集待测物表面的光带图像，并将采集的图像记为A1，然后关闭激光器，CCD摄像机再次采集相同位置的图像，记为A11；

S2：对由锁定成像所得的图像A1、A11进行处理，在此位置获得一幅去除背景光的光带图像Ij；

S3：对上述S2中获得的光带图像Ij进行二值化处理；

S4：对二值化处理后的光带图像Ij进行平均灰度计算，设该图像中有N个像素点，第i个像素点的灰度值为Ni，则光带图像Ij的平均灰度为：

S5：将待测物从位置j沿导轨平移距离L到达位置j+1处，重复步骤S1至S4，得到与光带图像I位置连续的光带图像Ij+1，并计算出光带图像Ij+1的平均灰度

S6：将光带图像Ij+1的平均灰度除以光带图像Ij的平均灰度，得到比值进行判断，若比值则光带图像Ij+1为曲率突变图像，该位置为曲率突变位置，在待测物的每个位置，计算机软件均采用三维表面轮廓重建技术进行同步的轮廓重建，若该位置为曲率突变位置，则滤出该位置轮廓线后返回S5；若比值则该位置没有曲率突变，返回S5；直到完成待测物整体的轮廓重建。

优选地，步骤S3中光带图像在二值化处理处理前进行均值滤波。

优选地，步骤S6中k的大小与待测物的表面曲率相关。

本发明的有益效果是：本发明所提供的表面曲率突变光学轮廓测量方法，采用平均灰度算法判断台阶曲率突变的特殊位置，在三维轮廓重建的过程中，能对曲率突变位置作出相应的识别处理，准确的还原出该表面曲率突变物体的轮廓。

附图说明

图1是本发明表面曲率突变光学轮廓测量方法流程图；

图2是本发明表面曲率突变光学轮廓测量装置的示意图；

图3是本发明被测物台阶的示意图；

图4是本发明第一台阶位置的灰度图像；

图5是本发明台阶临界位置的灰度图像；

图6是本发明第二台阶位置的灰度图像；

图7是本发明被测物台阶平均灰度变化图；

图8是本发明被测物台阶的轮廓重建效果图；

附图标记说明：1、固定架；2、CCD摄像机；3、线结构激光器；4、位移平台；5、待测物。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图2所示，本发明的表面曲率突变光学轮廓测量装置，包括固定架1、两台轴对称的CCD摄像机2、三只共面的线结构激光器3、位移平台4和一台计算机。两台CCD摄像机2通过三维调节平台固定到固定架1的两个相邻的支柱上，并通过调节三维调节平台保证两台CCD摄像机的光轴的交点在测量区域的中心。三只线结构激光器3通过二维调节平台固定在固定架1的另外两个支柱及下方位置，使三只线结构激光器3的夹角成120°，以确保每一只激光器到被测物中心轴等距，这样保证照射到物体表面的激光强度相同。

由于CCD摄像机和线结构激光器均固定在固定架上，要实现激光对被测物的纵向扫描来获取系列的轮廓线，如果移动CCD摄像机和线结构激光器来扫描，那么系统的稳定性和可操作性将会下降，并且很难控制扫描速度。为了解决上述问题，本测量系统采用固定CCD摄像机和线结构激光器的位置，移动待测物相对于激光的位置来扫描物体，为方便被测物的移动速度和距离的控制，将位移平台4放置于固定架1中部下方的导轨上并确保固定在位移平台4上的待测物5于测量区域的中心点上，位移平台4通过步进电机进行驱动可以沿导轨移动。

计算机连接CCD摄像机来捕获图像，连接步进电机来驱动控制位移平台移动，连接线结构激光器以控制线结构激光器的亮或灭。

本发明还提供一种基于上述装置的表面曲率突变光学轮廓测量方法，其流程图如图1所示，调节二维调整平台使线结构激光器的激光面共面，三个线结构激光器发射的激光在待测物表面形成一个待测物横截面轮廓的激光光带，再使用CCD摄像机获取光带图像，将获取的图像传送到计算机中计算被测物的轮廓信息，具体包括以下步骤：

S1：待测物处于位置j时，利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对待测物进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集待测物表面的光带图像，并将采集的图像记为A1，然后关闭激光器，CCD摄像机再次采集相同位置的图像，记为A11；

S2：对由锁定成像所得的图像A1、A11进行处理，在此位置获得一幅去除背景光的光带图像Ij；

S3：对上述S2中获得的光带图像Ij进行均值滤波和二值化处理；

S4：对二值化处理后的光带图像Ij进行平均灰度计算，设该图像中有N个像素点，第i个像素点的灰度值为Ni，则光带图像Ij的平均灰度为：

S5：将待测物从位置j沿导轨平移距离L到达位置j+1处，重复步骤S1至S4，得到与光带图像I位置连续的光带图像Ij+1，并计算出光带图像Ij+1的平均灰度

S6：将光带图像Ij+1的平均灰度除以光带图像Ij的平均灰度，得到比值进行判断，若比值则光带图像Ij+1为曲率突变图像，该位置为曲率突变位置，在待测物的每个位置，计算机软件均采用三维表面轮廓重建技术进行同步的轮廓重建，若该位置为曲率突变位置，则滤出该位置轮廓线后返回S5；若比值则该位置没有曲率突变，返回S5；直到完成待测物整体的轮廓重建。

本发明的表面曲率突变光学轮廓测量装置经过激光锁定成像技术取得了复杂形面轮廓的光带图像，消除了环境光对光带图像的影响，然而，由于被测物体本身的轮廓不匀称、表面反射率变化剧烈不均匀等原因，获取的光带图像会产生缺损，或光带边缘毛刺等，严重影响了光带图像的质量，所以在一般的图像处理中我们对复杂结构的轮廓光带进行了一些预处理，主要有图像均值滤波算法和图像二值化。

在对光带图像进行二值化的同时，我们同步采用了平均灰度的算法从图像中分辨出台阶曲率突变的位置。设计算机采集的一副经过处理的灰度图像中有N个像素点，第i个像素点的灰度值为Ni，则这幅图像的平均灰度为：当计算机采集的位置到达物体曲率突变的位置时，显示出来的平均灰度这一数据将于其他非突变位置有明显的差异，从而轻松的判断出来这些特殊位置。

本实施例的待测物以台阶为例进行说明，如图3所示，该待测物具有四个台阶，从下往上的两个台阶分别为第一台阶和第二台阶，它们之间用过一个垂直面过渡，该垂直面为台阶临界位置。

图4至图6所示为计算机采集到的并经过预处理的三幅图像，此时都为灰度图像。它们分别为激光扫到被测物的第一台阶位置所得的图像，扫到台阶临界位置(此位置为该物体曲率突变的位置)所得的图像，扫到第二台阶所得的图像。

经过反复的实验测试，我们得出第一台阶位置和第二台阶位置所测得图像平均灰度在0.650～0.750之前浮动，而对于曲率突变的台阶临界位置，此位置的平均灰度在3.50～3.90之间浮动。可见台阶临界位置的平均灰度要比第一台阶位置和第二台阶位置的平均灰度大的多，前者为后者的五到六倍，从而本实施例中待测物台阶的k＝5。

因为测量系统经历的是连续扫描的过程，电脑采集的图像也是具有一定的规律，先采集一部分第一台阶位置的图像，当第一台阶被激光扫描完毕，接着采集到一两张台阶临界位置的图像，来到第二台阶的位置，有采集到大量的第二台阶的图像，灰度值在此过程中的变化如图7所示，可以很直观的发现待测物位于位置坐标6时，激光恰好扫到曲率突变的位置。

用上述表面曲率突变光学轮廓测量方法对该台阶进行测量的具体过程如下：

台阶固定在位移平台上处于位置1处，利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对待测物进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集待测物表面的光带图像，并将采集的图像记为A1，然后关闭激光器，CCD摄像机再次采集相同位置的图像，记为A11；对由锁定成像所得的图像A1、A11进行处理，在此位置获得一幅去除背景光的光带图像I1；对光带图像I1进行均值滤波和二值化处理后计算出光带图像I1的平均灰度

步进电机驱动控制位移平台沿导轨平移距离40mm到达位置2，重复上述步骤获得光带图像I2，计算出光带图像I2的平均灰度则小于台阶的k值5，位置2没有曲率突变。

步进电机驱动控制位移平台沿导轨平移距离40mm到达位置3，重复上述步骤获得光带图像I3，计算出光带图像I3的平均灰度为0.698；则小于台阶的k值5，位置3也没有曲率突变。

继续重复上述步骤，依次测得

当台阶移动到位置6时，测得其光带图像I6的平均灰度为3.792，其与光带图像I5的平均灰度的比值则位置6为曲率突变位置，同步轮廓重建滤出该位置轮廓线。

重复上述步骤，直到完成待测物整体的轮廓重建。

如图8所示，为台阶从位置1到位置11的轮廓重建效果图，其中由于曲率突变位置6的轮廓线被滤出，故会留下缝隙，但是由于该缝隙的宽度极小，可以忽略不计。

本发明的表面曲率突变光学轮廓测量方法，得到满足被测物体目标面形数据，所需的激光光带的灰度图像后，需要对图像进行处理，本发明采用细化处理和和均值滤波消除噪声，之后对图像进行二值化处理，本发明采用平均灰度算法可以判断出不利于轮廓重建的曲率突变的位置。获得轮廓数据后本发明采用最短对角线的轮廓线拼接来重构曲率突变物体的三维表面轮廓，最后借助VTK(visualization toolkit)进行显示三维轮廓。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。