专利名称：基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统。
背景技术：
由于快速实时的三维立体视觉检测仪可以更快、更准确、更自动地探测和定位未知区域和目标的形貌及距离，使机器视觉系统具有更强的功能，因此在自动目标识别、导引和定位方面，引起了国内外的普遍关注，被广泛地应用于产品质量检测、逆向工程以及航天器间的自主自动空间对接中。
立体视觉的突出优点是对测量环境要求不高；只需标定摄像机，所以具有较高的标定精度。立体匹配是保证立体视觉精度的关键，而现有的匹配方法如外极线约束法则、顺序约束性法则及空间区域类法则等依赖图像的高对比度特征，但一般目标都不具有这样的特征，因此导致立体视觉的匹配精度较低，在很多应用领域难以适用。
投影栅相位匹配则是一种新型的立体匹配方式，基于投影栅相位匹配的立体视觉检测方法采用投射条纹结构化被测表面，从而获取立体匹配点，该方法可以得到比被动视觉方法更高的测量精度。
由于被测目标的形貌各异，曲率变化范围较大，因此用一种固定宽度的条纹投射被测表面时，要么分辨率不能满足要求，要么在曲率变化大的区域出现相位跳变，使相位去包裹出现错误，在该区域无法找到立体匹配点，也就无法获得相关区域的数据，因此无法解决被测目标的高精度测量问题，所以投射条纹的宽度需要根据被测表面的曲率变化大小来确定。当被测表面的曲率变化大时，需要投射宽条纹，防止相位跳变；当被测表面的曲率变化小时，需要投射细条纹，提高系统分辨率；同时，由于这种条纹投射是单方向的，对光源强度的要求比加角反射镜时要小。
目前的基于正弦条纹投射技术的立体视觉检测方法有以下几种(1)利用罗奇光栅离焦投影，(2)利用双光栅形成莫尔条纹，(3)利用干涉仪形成干涉条纹，(4)利用投影仪投射数字条纹。在这几种方法中，前三种可以获得模拟的正弦条纹，但条纹相位及宽度的改变必须通过改变投射系统的结构参数实现，要想实现精密的相位移动，必须附以复杂精密的机械运动装置，结构复杂，调节困难，系统抗干扰能力差。第四种方法是利用商业产品如基于LCD或DLP的投影投射仪投射条纹。由于投射的条纹是计算机仿真图像，因此可以通过程序精确获得所要的相移和条纹宽度，满足条纹自适应投射的特点，但是由于这种投影仪投射的是数字相，所以解相精度受到影响，另外投影仪体积、重量大，不利于集成和在线测试的灵活性。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种在不改变结构参数的条件下，通过改变施加在条纹投射装置上的信号频率和相位，精确改变条纹的相位和宽度，增加空间应用可靠性的基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，该系统扩大了三维视觉目标识别系统的适用范围，自适应性强，提高了系统识别准确度，解决了具有复杂表面的工件检测识别问题。
本发明的技术解决方案之一基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特点在于包括基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，与计算机系统相接，通过计算机系统控制所投射正弦条纹的相位和频率；基于视觉原理的双目传感器，位于基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置的两端，通过双目传感器与被测物体表面形成三角测量的关系，获取被测表面的调制相位图像，经由图像采集卡送入计算机；五维扫描架，其上安装有视觉传感器和基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于带动基于视觉原理的双目视觉传感器到达不同空间位置和以不同的姿态对被测物体进行拍摄测量，同时为五维扫描架的电机提供驱动电源；电气部分，共输入端与计算机系统输出端相接，输出接至五维扫描架，用于将计算机系统输出的控制命令转换为驱动控制信号，以驱动五维扫描架沿XYZ三个方向运动和沿水平面和垂直面转动；图像采集部分，将基于视觉原理的视觉传感器拍摄的被测表面的相位图像信号经由图像采集卡滤波放大、A/D转换处理后送入计算机系统；计算机系统，作为整个检测系统的控制中心，用于输出控制信号到电气系统从而控制五维扫描架移动、输出控制信号控制基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置所投射的正弦条纹的相位和频率、控制采集基于视觉原理的双目传感器获取的相位图像数据、对所采集的相位图像数据进行图像处理得到带有物体三维信息的相位图。
本发明的技术解决方案之二基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于包括下列部件基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，与计算机系统相接，通过计算机系统控制所投射正弦条纹的相位和频率；基于视觉原理的单目传感器，单目传感器位于自适应正弦条纹投射装置的一侧，与被测物体表面形成三角测量的关系，获取被测表面的调制相位图像，经由图像采集卡送入计算机；五维扫描架，其上安装有单目传感器和基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于带动基于视觉原理的单目传感器到达不同空间位置和以不同的姿态对被测物体进行拍摄测量，同时为五维扫描架的电机提供驱动电源；电气部分，共输入端与计算机系统输出端相接，输出接至五维扫描架，用于将计算机系统输出的控制命令转换为驱动控制信号，以驱动五维扫描架沿XYZ三个方向运动和沿水平面和垂直面转动；图像采集部分，将基于视觉原理的单目传感器拍摄的被测表面的相位图像信号经由图像采集卡滤波放大、A/D转换处理后送入计算机系统；计算机系统，作为整个检测系统的控制中心，用于输出控制信号到电气系统从而控制五维扫描架移动、输出控制信号控制基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置所投射的正弦条纹的相位和频率、采集相位图像数据、对所采集的相位图像数据进行相位解相处理得到带有物体三维信息的相位图。
上述的基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的透镜聚焦产生正弦干涉波纹。
上述的图像处理部分包括图像预处理、解相、全场相展开、相位立体匹配和三维形貌计算处理过程。
本发明的工作原理通过计算机系统输出控制信号控制五维扫描架移动至被测物表面上，并通过计算机系统控制基于声光偏转器的正弦条纹投射装置向被测物表面投射多幅正弦光栅，由视觉传感器获取一系列不同相位的图像经由图像采集卡送至计算机系统中，然后计算机系统中的图像数据处理部分进行图像数据的解相及噪声过滤等处理，最终得到带有物体三维信息的相位图。
由于本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明使用自适应的条纹投射装置，可以根据被测目标表面的曲率变化情况，由计算机控制快速改变投射条纹的间距、相位和对比度，可扩大三维视觉目标识别系统的适用范围，自适应性强。
(2)由于条纹相位移动无须复杂精密的机械运动装置，因此结构简单，调节方便，测量精度高，抗干扰能力强。
(3)采用双目传感器或单目传感器和条纹投射装置与被测物体表面形成三角测量的关系，可以从不同的视角进行拍摄，提高了系统识别准确度。
(4)通过相位立体匹配可得到高密度的数据点云。
图1为本发明的组成结构框图；图2为本发明的技术解决方案之一的立体结构示意图；图3为本发明的技术解决方案之二立体结构结构框图；图4为本发明的基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置结构示意图；图5本发明的计算机系统的软件流程图；图6为本发明的计算机系统中相位解算流程图；图7为本发明的三种空间正弦光栅灰度值确定相位示意图；图8本发明的餐盘模型的光栅相位图；图9本发明的精确的相位图；图10本发明中应用逐行扫描法完全展开后的相位图；图11本发明的判断相位象限的流程图；图12本发明的相位图的背景识别示意图；图13为本发明中的餐盘三维表面点云图；图14为本发明中的双目视觉传感器三坐标测量数学模型。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明由计算机系统1、五维扫描架2、基于声光偏转器的正弦条纹投射装置3、电气部分4、基于视觉原理的视觉传感器5、图像采集部分6组成，其中计算机系统1作为整个检测的中心，输出控制信号到电气系统4从而控制五维扫描架2移动，同时输出控制信号控制基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置3所投射的正弦条纹的相位和频率，此外还采集基于视觉原理的视觉传感器5获取的相位图像数据，对所采集的相位图像数据进行相位解相处理得到带有物体三维信息的相位图；五维扫描架2上安装有视觉传感器5和自适应正弦条纹投射装置3，视觉传感器5位于自适应正弦条纹投射装置3的两端，视觉传感器5采用两个CCD摄像机，即图2中的左CCD和右CCD，同时被测物体7置于五维扫描架2上，移动五维扫描架2用于实现视觉传感器5到达不同空间位置和以不同的姿态进行拍摄测量，五维扫描架2包括实现三维空间直线运动的丝杠和导轨，以及三台步进电机，其中三台步进电机分别控制视觉传感器5沿正交的三个轴X，Y，Z方向上的运动，两台步进电机控制两个旋转台转动，分别实现在水平面和垂直平面上的转动，通过控制五台步进电机，实现五个自由度的扫描架控制；电气部分4连接五维扫描架2和计算机系统1之间，其作用是为五维扫描架2中的五台步进电机提供电源，通过其内的驱动器控制5台步进电机的转动，接收由计算机系统1中的数据采集和处理部分发出的对步进电机的控制脉冲信号，以及各导轨和转台的限位开关信号，并输出至五维扫描架2；图像采集部分6为图像采集卡，图像采集卡为嘉恒中自公司生产的OK-M20。
如图3所示，本发明的另一个技术解决方案为改变双目传感器为单目传感器，单目传感器、条纹投射装置和被测工件表面形成三角测量关系，当投射装置3向被测物体7表面投射多幅正弦光栅时，由CCD摄像机获取相位图像，然后送入计算机系统1中进行图像处理。基于三角法原理进行测量，即摄像机与条纹投射装置和被测物体7之间构成一个三角形，已知摄像机与条纹投射装置之间的位置关系，便可以测量摄像机视场范围内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。在测量之前，必须对系统的相互位置关系及各个部件内部的参数进行标定。
如图4所示，本发明的基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置3由声光偏转器31、调制激光器32、驱动信号电路33和光学系统34组成，驱动信号电路33产生两路信号，一路驱动声光偏转器31，另一路用于驱动调制激光器32，声光偏转器31中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统34中的平凸透镜聚焦产生正弦干涉波纹，所产生的正弦干涉条纹的相位和间距分别由激光器调制信号与声光驱动信号的相位差和声光偏转器两个驱动信号间的频差有关。当激光光束进入声光偏转器31后，混频信号将入射光束分成两束，随着前端驱动信号的增大，两光束的夹角也变大，所得到的干涉条纹的周期变小，即使得条纹变细、间距变小。当前端驱动信号减小，两光束的夹角变小，所得到的条纹变粗、间距变大。调制激光器32的控制信号和声光偏转器31的控制信号之间存在相位差，使得两光束在声光偏转器31中的传播的时间不同，产生恒定的相位差，这样就使经透镜汇聚后的两光点产生恒定的相位差，干涉条纹的相位因此就可以通过改变控制信号的相位差来改变，可以实现驱动信号的自动控制，达到不移动任何部件而完成投射条纹的相位和间距变化。
上述的驱动信号电路33由DDS芯片电路产生两路频率同为fm可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路信号与声光偏转器31中心频率信号fc通过高速乘法器合成混频信号fc+fm和fc-fm，用于驱动声光偏转器31，另外一路信号经过倍频后，通过高速比较器生成方波信号，用于驱动调制激光器32。调制激光器32采用TTL调制激光器，在产生干涉条纹的过程中，调制激光器32为整个系统提供了光源，用调制激光器32照射声光偏转器31后，可以将声光偏转器31中的超声波投射到背景上，来产生干涉条纹。声光偏转器31将两束光线用透镜汇聚后便可产生间距、相位可调的干涉条纹，其中前端驱动信号决定条纹的间距，通过调整声光偏转器的两路驱动信号的频率差F，可以实现对条纹间距b的调节。
b=vsL2Ffm---(7)]]>式中vs为超声在晶体中的速度；L为条纹出射距离。
通过调节驱动声光偏转器的驱动信号与激光器调制信号之间的相位差，可以实现对条纹的相移控制。
光学系统34包括架设实验装置的各种光学支架、转台，还包括条纹透镜系统和激光器准直透镜。
如图5所示，本发明的计算机系统1的软件部分主要包括驱动五维扫描架2移动的控制、对基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置3投射正弦条纹的相位和频率的控制和对所采集的相位图像数据进行相位解相处理的图像数据处理部分。本发明的检测系统启动时，首先检测系统硬件保证系统的各个部分和系统都正常连接，且工作正常，并初始化系统各个部分的参数，保证各个子系统处于初始状态；第二步，判断图像采集系统是否处于工件的正上方、工作距离是否满足要求、且系统光轴与工件表面法线的夹角是否小于15度，否则，驱动控制五维扫描架2带动采集系统到合适位置；第三步，判断投射条纹的宽度和亮度是否合适，根据工件表面的反射率、倾斜角度和表面曲率等参数调节条纹宽度和亮度；第四步，顺序改变投射条纹相位，采集被工件表面调制后的图像；第五步，使用如图6所示的图像相位解算软件流程计算出工件表面的三维坐标值。
如图6所示，本发明的图像处理的流程包括图像预处理、解算相位图、解算精确相位图、相位图像的完全展开、判断相位的象限、识别背景、相位立体匹配和三维形貌计算等步骤。
图像预处理主要是对由传感器采集得到的图像进行滤波去噪处理，本发明采用通用滤波去噪算法。
图像解相是对经被测物体调制的光栅图像进行相位解算，其算法原理如下当光栅投射到被测物体7表面上时，在物体表面上产生畸变，形成变形光栅，将载波相位与被调制的相位写成一项为I(x，y)＝γ(x，y){IDC+Imcos[Φ(x，y)]} (1)其中γ(x，y)为投射光栅区域的反射系数，IDC为光栅正弦条纹的直流分量，Imcos[Φ(x，y)]为光栅调制光强变化。
使用条纹相位φ为{φ＝0，φ＝π/2，φ＝π}的三种正弦投射光栅图像，进行相位解算。相位Φ可以根据三幅相差π/2的CCD像点的灰度值I0，Iπ/2，Iπ来确定，公式如下I0＝γ(IDC+ImsinΦ)Iπ/2＝γ(IDC+ImcosΦ)(2)Iπ＝γ(IDC-ImsinΦ)
Φ=tan-1[I0-Iπ2Iπ/2-(I0+Iπ)]---(3)]]>如图7所示，通过I0，Iπ来确定正弦条纹的直流分量，再根据公式(2)就可确定相位值。使用该方法得到的餐盘模型的相位图如图8所示。
为提高相位解算精度和系统的环境适应能力，本发明采用粗细条纹结合的方法，将粗条纹易于相位展开和细条纹相位信息多的优点充分结合在一起。粗条纹周期比较大，出现相位阶跃的数量比较少，但很难得到满意的相位解算精度；细条纹解算精度高，但容易出现相位卷跌，如果物体的形貌变化过大，细条纹容易产生整个周期的缺失，给相位展开带来很多麻烦。采用粗细条纹结合的方法相互弥补，可有效避免单一条纹方法的缺陷。由公式(2)可得。每个像点的相位值为Φ=tan-1[I0-Iπ2Iπ/2-(I0+Iπ)]]]>对于该像点的相位对应的条纹位置数可由下面公式确定N1=Φ2π≤1,(Φ≤2π,N1≤1)---(4)]]>当采用不同粗细的条纹进行相位解算时，可以通过下面公式来确定精确的条纹位置数。
Ni=Φi2π+round(XNi-1-Φi2π)---(5)]]>式中X为粗条纹周期和细条纹周期的比值，round为取整运算符。公式(5)是一个相位的递推公式，上一级条纹(粗条纹)确定相位值的整数部分，下一级条纹(细条纹)确定相位的小数部分，这样可以有效避免细条纹的相位缺失。通过粗细两种条纹，可以精确确定每个像点的相位值。本发明采用三种宽度的相位图像，应用递推公式(5)，使相位图像更加精确。结果如图8所示，与粗条纹的相位图像(图8)相比，图9得到的图像已经看不出盘子光影的影响，而且同时充分保留了细条纹的相位信息。
全场相展开的目的就是把各行展开时的基准点都统一到一个点上。本发明采用逐行扫描的方法，首先对噪声点进行过滤处理，然后判断相位阶跃点，在判断过程中有可能会遇到一些噪声，这些噪声点很容易被误认为是相位阶跃点，这样就会给相位的全场展开带来麻烦，因此本发明应用连续检测的方法来消除噪声点对相位展开的影响。应用逐行扫描法得到的全场展开后的相位图如图10所示。
由于公式(2)中Φ的取值范围是-π/2～π/2，需要将它扩展到0～2π，这样就需要对Φ所在的象限进行判断。如图11所示，I0，Iπ/2，Iπ为某像点的三个灰度值，由Φ的正负关系和这三个量的大小关系就可以判断Φ所在的象限，从而确定将Φ在0～2π范围内展开。
在解算相位过程中，由于背景同样可以反射投影光栅，因此很容易被连同图像相位信息一同解算出来，给三维成像带来很大麻烦。自动识别背景是三维成像中很重要的一项技术。
本发明采用的识别背景的方法是根据灰度值变化来完成的，一般来说，物体的表面和背景表面反射光线的能力是不同的，即公式(1)中反射系数γ(x，y)不同。识别背景具体方法如下假设I0Iπ/2Iπ为某像点的三个灰度值，如果|I0-Iπ/2|+|I0-Iπ|＞threshold (6)证明该像点是被测物体，否则该像点为背景。在应用中，根据实际情况可以适当设置阈值threshold对背景进行有效识别。识别背景的相位图像和未识别背景的相位图像如图12所示，左图是未识别背景的相位图像，右图为识别背景图像后的相位图像，并将背景设为同一个灰度值。
单目立体视觉系统是由单摄像机和条纹投射装置与被测物体表面形成三角关系，系统在得到被测物体表面的相位图像后，根据单摄像机和条纹投射装置的相互位置关系、以及摄像机和条纹投射装置的参数得到相位图像和三维坐标点的转换系数，由这些转换系数即可将相位图像转换为三维形貌表面点云。
相位立体匹配是基于双目视觉原理的立体视觉检测系统的关键技术之一，其主要是根据解相得到的左右传感器的相位图像，采用基于相位的投影栅相位法，进行左右两幅图像对应点的匹配。
基于相位的匹配是以每个像素点的相位作为匹配的依据。空间某一点，由于它们被光栅调制的情况是一样的，因此在左、右图像中的相位值理论上说应当是相等的。当投射横向条纹于被测物表面时，物体上的每一点经过计算都会得到该点的横向相位值，但由于载波和被调制的原因，可能在某一条纹上的点的相位值是相同的。所以，需要再投射纵向条纹，物体上的每一点会得到该点的纵向相位值。这样，物体上的每一点会有两个相位值，就像直角坐标系中的每一点会有x、y两个方向的坐标值一样。假设左图某点p的相位分布为(Φlu，Φlv)，则在右图中逐点扫描，直到找到一点q(Φru，Φrv)，使得|Φlu-Φru|＜α，|Φrv-Φrv|＜β其中，α、β是设定的相位偏差阈值，说明点p和点q是一对匹配点。
依据此原理，可以进行公共区域内的所有点的匹配。相位匹配的方法，不用寻找特征点，操作方便，运算量也不大，而且匹配的精度比较高，误匹配率低。
根据系统标定所得的两个摄像机之间的相互位置关系以及摄像机系统本身的内参数，将上述匹配点转换到世界坐标系，得到物体三维形貌表面点云，如图13所示为餐盘经前述一系列数据处理后所得的三维表面点云。
如图2和图14所示，本发明的基于视觉原理的双目传感器3由左右两个CCD摄像机构成，当投射装置2向被测物体7表面投射多幅正弦光栅时，由两个CCD摄像机获取相位图像，然后送入计算机系统1中进行图像处理。基于视觉原理的双目传感器6采用透视成像模型，基于三角法原理进行测量，即两个摄像机的图像平面和被测物体7之间构成一个三角形，已知两摄像机之间的位置关系，便可以测量两摄像机公共视场内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。在测量之前，必须对系统的相互位置关系及各个部件内部的参数进行标定。
传感器测量坐标系表示的空间点与两摄像机像面点之间的对应关系为
式中 为理想的计算机图像坐标； 为世界坐标；P为3×4矩阵，成为投影矩阵，它表征了二维图像坐标与三维世界坐标之间的基本关系。A是一个上三角矩阵，称为摄像机内部参数矩阵；R和T分别为世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和原点之间的平移变换矢量。
由于摄像机光学系统存在加工误差和装配误差，考虑成像系统的径向和切向畸变校正是对理想透视模型的一种扩展。径向畸变引起实际图像坐标在图像平面沿直径方向位移，切向畸变由镜头的离心畸变引起。
径向畸变可近似表示为δurδvr=Xu(k1r2+k2r4)Yu(k1r2+k2r4)---(8)]]>切向畸变可近似表示为δutδvt=2p1XuYu+p2(r2+2Xu2)p1(r2+2Yu2)+2p2XuYu---(9)]]>其中，Xu、Yu为原点在图像主点的理想图像坐标，r2=Xu2+Yu2;]]>k2、k1、p1、p2为畸变系数。则实际的帧存坐标(u，v)为uv=Xu+δur+δutYu+δvr+δvt+u0v0---(10)]]>非线性优化的目标函数用解析表达式表示为F(x)=Σi=1N((Ui-ui)2+(Vi-vi)2)---(11)]]>其中(Ui，Vi)为根据摄像机的模型投影到图像平面上的特征点的模型图像坐标；(ui，vi)为实际探测到的图像坐标。非线性优化的过程就是使模型图像坐标与实际图像坐标之间的偏差达到最小，从而获得偏差最小时的参数为摄像机参数的估计值。
将公式重写为ρuivi1=a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34XiYiZi1---(12)]]>为了解出参数a11，...a34，将上式改写为LA＝0 (13)式中0是一个2n×1的零矢量A＝[a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34]TL=X1Y1Z110000-X1u1-Y1u1-Z1u1-u10000X1Y1Z11-X1v1-Y1v1-Z1v1-v1MMMMMMMMMMMMXiYiZi10000-Xiui-Yiui-Ziui-ui0000XiYiZi1-Xivi-Yivi-Zivi-viMMMMMMMMMMMMXnYnZn10000-Xnun-Ynun-Znun-un0000XnYnZn1-Xnvn-Ynvn-Znvn-vn---(14)]]>方程的解，即计算A实际上是一个以下目标函数的约束最优化问题J＝ATLTLA (15)满足约束||A||＝1，相应的拉格朗日函数为1＝ATLTLA-λ(ATA-1)(16)微分为1/A＝2LTLA-2λA＝0，即(LTL)A＝λA (17)公式(17)表明矩阵LTL的特征矢量是A的解，矩阵LTL的特征值为λ＝ATLTLA。由矩阵奇异值的定义可知，矩阵LTL的特征矢量实际上是矩阵L的奇异矢量，因此通过对矩阵L进行奇异值分解，而不用计算LTL就可以解出A，从而增加数据的稳定性。矩阵LTL的最小二乘特征矢量对应于最小的特征值，即最小奇异值所对应的奇异矢量。
求出投影矩阵A后，就可以计算出摄像机的全部参数。分解过程如下a1Ta14a2Ta24a3Ta34=fx0u000fyv000010r1Ttxr2Ttyr3Ttz0T1=fxr1T+u0r3Tfxtx+u0tzfyr2T+v0r3Tfyty+v0tzr3Ttz---(18)]]>式中aiT(i＝1～3)为求得的投影矩阵A的第i行前三个元素组成的行向量；ai4(i＝1～3)为矩阵A的第i行第四列元素；riT(i＝1～3)为旋转矩阵R的第i行；tx，ty，tz为平移矢量的元素。由公式(18)和R的正交性可知r3＝p3r1＝(p1-u0p3)/fxu0=p1Tp3]]>r2＝(p2-v0p3)/fyv0=p2Tp3]]>tx＝p34(19)fx＝|p1×p3| ty＝(p14-u0)/fxfy＝|p2×p3| tz＝(p24-v0)/fy将公式(19)求出的摄像机参数作为摄像机参数的初值，并假定所有的畸变系数初值为0，用Levenberg-Marquardt非线性优化方法对公式表示的目标函数进行优化，就可以求出最优的全部摄像机参数。
视觉重建过程就是利用标定得到的模型参数和匹配过程得到的对应2D图像点坐标来求解3D空间点，是透视成像的逆过程，是一种不确定性问题的求解，解的可靠性和精度受很多因素影响。标定完摄像机的内外部参数后，就建立好了图像坐标与世界坐标系之间的关系，在已知某一空间点在两个摄像机像平面上的坐标后，就可以得到这一点的世界坐标。具体过程如下已知左右两个摄像机参数和对应的图像坐标，可将公式(12)改写为(a31uli-a11)Xi+(a32uli-a12)Yi+(a33uli-a13)Zi＝a14-a34uli(a31vli-a21)Xi+(a32vli-a22)Yi+(a33vli-a23)Zi＝a24-a34vli(20)(b31uri-b11)Xi+(b32uri-b12)Yi+(b33uri-b13)Zi＝b14-b34uri(b31Vri-b21)Xi+(b32vri-b22)Yi+(b33vri-b23)Zi＝b24-b34vri三个未知数，四个方程，用最小二乘法就可以求出该点的世界坐标。
权利要求
1.基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于包括下列部件基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，与计算机系统相接，通过计算机系统控制所投射正弦条纹的相位和频率；基于视觉原理的双目传感器，位于基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置的两端，通过双目传感器与被测物体表面形成三角测量的关系，获取被测表面的调制相位图像，经由图像采集卡送入计算机；五维扫描架，其上安装有视觉传感器和基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于带动基于视觉原理的双目视觉传感器到达不同空间位置和以不同的姿态对被测物体进行拍摄测量，同时为五维扫描架的电机提供驱动电源；电气部分，共输入端与计算机系统输出端相接，输出接至五维扫描架，用于将计算机系统输出的控制命令转换为驱动控制信号，以驱动五维扫描架沿XYZ三个方向运动和沿水平面和垂直面转动；图像采集部分，将基于视觉原理的视觉传感器拍摄的被测表面的相位图像信号经由图像采集卡滤波放大、A/D转换处理后送入计算机系统；计算机系统，作为整个检测系统的控制中心，用于输出控制信号到电气系统从而控制五维扫描架移动、输出控制信号控制基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置所投射的正弦条纹的相位和频率、控制采集基于视觉原理的双目传感器获取的相位图像数据、对所采集的相位图像数据进行图像处理得到带有物体三维信息的相位图。
2.根据权利要求1所述的基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于所述的基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的透镜聚焦产生正弦干涉波纹。
3.根据权利要求1所述的基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于所述的图像处理部分包括图像预处理、解相、全场相展开、相位立体匹配和三维形貌计算处理过程。
4.基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于包括下列部件基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，与计算机系统相接，通过计算机系统控制所投射正弦条纹的相位和频率；基于视觉原理的单目传感器，单目传感器位于自适应正弦条纹投射装置的一侧，与被测物体表面形成三角测量的关系，获取被测表面的调制相位图像，经由图像采集卡送入计算机；五维扫描架，其上安装有单目传感器和基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于带动基于视觉原理的单目传感器到达不同空间位置和以不同的姿态对被测物体进行拍摄测量，同时为五维扫描架的电机提供驱动电源；电气部分，共输入端与计算机系统输出端相接，输出接至五维扫描架，用于将计算机系统输出的控制命令转换为驱动控制信号，以驱动五维扫描架沿XYZ三个方向运动和沿水平面和垂直面转动；图像采集部分，将基于视觉原理的单目传感器拍摄的被测表面的相位图像信号经由图像采集卡滤波放大、A/D转换处理后送入计算机系统；计算机系统，作为整个检测系统的控制中心，用于输出控制信号到电气系统从而控制五维扫描架移动、输出控制信号控制基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置所投射的正弦条纹的相位和频率、采集相位图像数据、对所采集的相位图像数据进行相位解相处理得到带有物体三维信息的相位图。
5.根据权利要求4所述的基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于所述的基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的透镜聚焦产生正弦干涉波纹。
6.根据权利要求4所述的基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统，其特征在于所述的图像处理包括图像预处理、解相、全场相展开和三维形貌计算处理过程。
全文摘要
基于自适应正弦条纹投射的立体视觉检测系统由计算机系统、五维扫描架、基于声光偏转器的正弦条纹投射装置、电气部分、视觉传感器、图像采集部分组成，通过计算机系统输出控制信号控制五维扫描架移动至被测物表面上，由基于声光偏转器的正弦条纹投射装置向被测物表面投射多幅正弦光栅，由图像传感器获取一系列不同相位的图像送至图像采集部分，再经过计算机系统进行图像处理，得到带有物体三维信息的相位图。本发明可快速改变投射条纹的间距、相位和对比度，适合于不同曲率的被测面的在线测量，自适应能力强；同时测量系统结构简单，测量精度高，抗干扰能力强，可得到大量的数据点云，对扩大三维视觉目标识别系统的适用范围，提高系统识别准确度具有现实意义。
文档编号G01B11/00GK1758020SQ200510086928
公开日2006年4月12日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者赵慧洁, 吉相, 殷雪冰, 姜宏志, 屈玉福 申请人:北京航空航天大学