一种镜面物体三维形貌测量方法及装置与流程

本发明涉及镜面物体检测领域。具体为一种镜面物体三维形貌测量方法及装置。

背景技术：

随着集成电路、汽车行业、先进制造和天文学的发展，快速准确的测量镜面物体三维形貌变得尤为重要。为解决这一实际问题，多种镜面物体三维形貌测量方法被不断提出，主要分为接触法和非接触法。接触测量法以三坐标测量机为代表，易操作、精度高但测量时间长且易对非刚性物体表面造成划痕。非接触测量方法以现代光学为基础结合图像处理、计算机视觉等技术在测量时无需接触被测物体，弥补了接触式测量中存在的缺陷，多位学者对此进行了研究。其中，条纹反射术由于快速采集、全场获取、高动态测量范围、高精度和自动数据处理等优点，被广泛研究并应用于诸多领域。

markuscknauer,jurgenkaminski,gerdhausler在文章“一种测量自由镜面反射表面的新方法”(phasemeasuringdeflectometry:anewapproachtomeasurespecularfree-formsurfaces.proc.ofspie,2004,5457:366-376)中提出一种主动双目视觉的方法测量镜面物体的三维形貌。通过法向量一致原则匹配立体传感器从两个角度获取的信息，计算物体表面梯度后积分求解深度信息。此种方法获得了一定的精度，但不能用于非连续物体的测量。

刘元坤在“基于结构光投影的光学面形测量方法研究.四川大学.2004.”中采用两组方向正交的条纹分别计算物点在两个方向的梯度，然后对梯度积分恢复待测镜面物体表面的三维形貌。系统结构简单，但不能用于非连续物体的测量。

guohongwei,fengpeng,taotao在“基于最小二乘光跟踪技术的镜面测量”(specularsurfacemeasurementbyusingleastsquareslighttrackingtechnique.opticsandlasersinengineering.2010,48(2):166-171)中移动显示屏到多个位置，利用最小二乘法确定入射光线的位置从而得到物点的空间位置。此种方法不需要积分过程，但移动显示屏的过程会引进误差。

赵文川，苏显渝，刘元坤，张启灿在“基于相位偏折术的非球面镜检测方法”(testinganasphericmirrorbasedonphasemeasuringdeflectometry.opticalengineering.2009,48:103603-10363-5)中使用移动显示器的方法来测量非球面镜，为减小噪声影响，求得入射光线后，通过入射光线和反射光线的法向量计算梯度，再对梯度积分计算待测镜面物体表面的高度。此种方法相较于直接移动显示屏提高了测量精度，但移动过程会带来误差且不能用于非连续物体的测量。

综上所述，上述测量方法或是不能测量非连续物体，或是不能给出良好的测量精度。因此，提供一种既能测量非连续物体又能保障测量精度的系统成为现有技术中需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种镜面物体三维形貌测量方法及装置。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种镜面物体三维形貌测量装置，其特征在于该装置包括电脑、主相机、从相机、折射显示屏、反射显示屏、半透半反镜和固定装置；所述电脑分别与主相机、从相机、折射显示屏和反射显示屏连接；主相机、从相机、折射显示屏、反射显示屏、半透半反镜和固定装置均固定在光学平台上；折射显示屏、反射显示屏和半透半反镜均与光学平台垂直；固定装置处于主相机和从相机的公共视场内；反射显示屏经过半透半反镜反射后的图像光路与折射显示屏上显示的图像光路的平行；反射显示屏经过半透半反镜反射后的图像通过固定在固定装置上的参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机的视场中；折射显示屏上的图像通过固定在固定装置上的参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机和从相机的公共视场中。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种镜面物体三维形貌测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)调节装置空间布局：将参考镜面和待测镜面物体先后固定在固定装置上；折射显示屏上的图像通过参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机和从相机的公共视场中，能被主相机和从相机捕捉；反射显示屏经过半透半反镜反射后的图像通过参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机的视场中，能被主相机捕捉；调节半透半反镜在折射显示屏和反射显示屏之间的位置和角度，使反射显示屏经过半透半反镜反射后的图像光路与折射显示屏上显示的图像光路平行，并调节折射显示屏、反射显示屏和半透半反镜均与光学平台垂直；

电脑、主相机、从相机、折射显示屏和固定装置构成双目系统；电脑、主相机、折射显示屏、反射显示屏、半透半反镜和固定装置构成双屏系统；

2)产生条纹图像：

2.1)利用电脑分别生成三组满足最佳三条纹选择的水平竖直交叉正弦条纹图像，条纹个数满足最佳三条纹选择算法，且每组水平竖直交叉正弦条纹包含四幅彼此间在水平和竖直方向均有90°相位移动的正弦条纹，其中水平条纹被调制在红色通道中，竖直条纹被调制在蓝色通道中，得到三组红蓝水平竖直交叉条纹图像；

2.2)采用与步骤2.1)相同的方法生成三组满足同样个数的竖直正弦条纹图像，每组竖直正弦条纹图像包含四幅彼此间有90°相位移动的正弦条纹图像，竖直条纹被调制在蓝色通道中，得到蓝色竖直条纹图像；

3)采集条纹图像：

将步骤2.1)得到的三组红蓝水平竖直交叉条纹图像依次显示在折射显示屏上，主相机和从相机采集先后经过参考镜面与待测镜面物体反射后的虚像，并将得到的变形红蓝交叉条纹图像存储到电脑中供后续处理；将步骤2.2)得到的蓝色竖直条纹图像显示在反射显示屏上，主相机采集先后经参考镜面与待测镜面物体反射后的虚像，并将得到的变形蓝色条纹图像存储到电脑中供后续处理；参考镜面安装于固定装置上，位置与待测镜面物体相同；

4)相位计算：对步骤3)采集到的变形红蓝交叉条纹图像经过红、蓝颜色通道分离得到变形红色条纹图像和变形蓝色条纹图像；

4.1)水平相位计算，对分离后得到的三组变形红色条纹图像采用四步相移法处理得到三幅红色通道折叠相位图，将三幅红色通道折叠相位图利用最佳条纹选择算法得到水平相位的展开相位图；

4.2)竖直相位计算，采用与步骤4.1)相同的方法，对变形蓝色条纹图像处理得到竖直相位的展开相位图；

5)区域分离：将步骤4)计算所得展开相位数据进行区域分离，连续区域的待测镜面物体表面信息使用双目系统利用梯度积分方法进行计算；非连续区域的待测镜面物体表面信息使用双屏系统利用直接相位测量偏折术进行计算；

6)标定测量装置，为建立展开相位图与待测镜面物体表面的三维形貌间的关系提供所需参数；

7)连续区域待测镜面物体表面信息测量：对连续区域的待测镜面物体表面信息采用立体视觉的方法进行测量；由光线的反射定律可知，物点一定处于反射光线上且物点的法向量唯一，因此可通过假设物点在反射光线上的位置寻找主相机和从相机中的法向量相同物点位置来确定物点的法向量；

7.1)计算物点在主相机中的法向量：根据公式(1)可通过展开相位得到主相机成像平面像素点与折射显示屏上投射点p(u，v)的映射关系；

公式(1)中：u为投射点在折射显示屏上的横坐标，v为投射点在折射显示屏上的纵坐标；q为竖直条纹的周期，qs为水平条纹的周期；为主相机成像平面像素点的竖直条纹展开相位，为主相机成像平面像素点的水平条纹展开相位；

假设物点的高度后，根据入射光线和反射光线的方向向量即可确定物点处的法向量，其中入射光线单位方向向量反射光线单位方向向量与法线单位方向向量的关系如下所示：

7.2)计算物点在从相机中的法向量：由假设物点的位置与从相机的光心位置计算经过该物点反射进入从相机的反射光线的单位方向向量，然后根据公式(2)计算物点在从相机中的法向量；

7.3)计算物点法向量：比较物点在主相机和从相机中的法向量；当两个法向量重合时认为假设的物点高度为实际物点高度，与之对应的法向量为实际物点法向量；若两个法向量不重合，重新假设物点高度后重复步骤7.1)和步骤7.2)直至满足两个法向量重合；

7.4)积分恢复待测镜面物体表面三维形貌：通过步骤7.3)得到物点处的法向量后，对物点梯度进行积分来恢复待测镜面物体表面的三维形貌；

8)非连续区域待测镜面物体表面信息测量：使用直接相位测量偏折术根据公式(3)对非连续区域的待测镜面物体表面三维形貌进行测量；

公式(3)中：h为待测镜面物体表面相对于参考镜面的深度；d为参考镜面与反射显示屏经过半透半反镜反射后所成图像之间的距离；δd为折射显示屏与反射显示屏经过半透半反镜反射后所成图像之间的距离；为参考镜面反射的反射显示屏的绝对相位值，为参考镜面反射的折射显示屏的绝对相位值；为待测镜面物体表面反射的反射显示屏的绝对相位值，为待测镜面物体表面反射的折射显示屏的绝对相位值；

9)区域拼接：以主相机像素为基准，将连续区域与非连续区域拼接到一起，恢复整个待测镜面物体表面的三维形貌。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1.数据采集效率高，采集速度快：本方法采用红、蓝颜色通道同时编码水平、竖直条纹，彩色相机可同时采集两个颜色通道的条纹信息，提高了采集效率。

2.数据精度高：本装置所有部件均固定，在测量过程中不产生任何移动，避免了移动带来的系统误差。连续区域的待测镜面物体表面信息使用双目系统利用梯度积分方法进行计算，提高测量精度。

3.可用于测量非连续物体：对非连续区域的待测镜面物体表面形貌测量使用双屏系统采用直接相位测量偏折术，直接建立相位和深度数据间的关系，得到非连续待测镜面物体表面的形貌信息。

4.本方法对连续区域的待测镜面物体表面形貌测量先计算物点法向量，然后使用双目系统利用梯度积分方法计算得到待测镜面物体表面的深度数据，相比于直接计算深度数据，减小了噪声的影响，所得数据结果精度较高。将连续区域与非连续区域拼接到一起，恢复整个待测镜面物体表面的三维形貌。

5.双屏系统可用于测量非连续物体，双目系统测量精度较高，将二者结合起来，在双屏系统的基础上增加一个相机测量物体，达到在测量非连续镜面物体同时兼顾测量精度的目的。

6.本方法不仅对于三维视觉领域高新技术的研究开发具有重要的理论意义，而且对于诸如车身检测、航天航空等领域中镜面物体的快速测量具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明测量装置一种实施例的整体结构示意图；(图中：1为电脑，2为主相机；3为从相机，4为折射显示屏，5为反射显示屏，6为半透半反镜，7为固定装置，7-0为参考镜面，7-1为待测镜面物体)

图2为本发明一种实施例的测量方法的测量原理示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种镜面物体三维形貌测量装置(简称装置，参见图1)，其特征在于该装置包括电脑1、主相机2、从相机3、折射显示屏4、反射显示屏5、半透半反镜6和固定装置7；主相机2、从相机3、折射显示屏4、反射显示屏5、半透半反镜6和固定装置7固定在光学平台上；折射显示屏4、反射显示屏5和半透半反镜6均与光学平台垂直；固定装置7处于主相机2和从相机3的公共视场内；反射显示屏5经过半透半反镜6反射后的图像光路与折射显示屏4上显示的图像光路的平行；反射显示屏5经过半透半反镜6反射后的图像通过固定在固定装置7上的参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机2的视场中，能被主相机2捕捉；折射显示屏4上的图像通过固定在固定装置7上的参考镜面7-0和待测镜面物体7-1所成的虚像均处于主相机2和从相机3的公共视场中，能被主相机2和从相机3捕捉；

所述电脑1分别与主相机2、从相机3、折射显示屏4和反射显示屏5连接(本实施例中，所述电脑1通过vga接口分别与折射显示屏4和反射显示屏5连接，通过千兆网接口分别与主相机2和从相机3连接)，电脑1用于控制主相机2、从相机3、折射显示屏4和反射显示屏5，并存储、显示和处理采集的图像以获得相应的测量结果；折射显示屏4和反射显示屏5用于显示电脑1所产生的图像；主相机2和从相机3用于采集经由参考镜面和待测镜面物体反射后的虚像。

所述主相机2和从相机3均采用彩色相机，具体是ccd相机；

所述折射显示屏4和反射显示屏5均采用lcd显示屏；

本发明同时提供了一种镜面物体三维形貌测量方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)调节装置空间布局：将参考镜面和待测镜面物体先后固定在固定装置7上；折射显示屏4上的图像通过参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机2和从相机3的公共视场中，能被主相机2和从相机3捕捉；反射显示屏5经过半透半反镜6反射后的图像通过参考镜面和待测镜面物体所成的虚像均处于主相机2的视场中，能被主相机2捕捉；调节半透半反镜6在折射显示屏4和反射显示屏5之间的位置和角度，使反射显示屏5经过半透半反镜6反射后的图像光路与折射显示屏4上显示的图像光路平行，并调节折射显示屏4、反射显示屏5和半透半反镜6均与光学平台垂直；

电脑1、主相机2、从相机3、折射显示屏4和固定装置7构成双目系统；电脑1、主相机2、折射显示屏4、反射显示屏5、半透半反镜6和固定装置7构成双屏系统；

2)产生条纹图像：

2.1)根据现有测量场的大小和测量精度的要求选择显示条纹的频率，利用现有条纹生成方法采用电脑1中安装的matlab软件分别生成三组满足最佳三条纹选择的水平竖直交叉正弦条纹图像，条纹个数满足最佳三条纹选择算法(本实施例根据测量场的大小和测量精度要求，条纹个数分别是49、48、42)，且每组水平竖直交叉正弦条纹包含四幅彼此间在水平和竖直方向均有90°相位移动的正弦条纹(即，在水平条纹方面四幅彼此间有90°相移，在竖直条纹方面四幅彼此间有90°相移)，其中水平条纹被调制在红色通道中，竖直条纹被调制在蓝色通道中，得到三组红蓝水平竖直交叉条纹图像；

通过电脑1中的matlab软件生成条纹的方法的参考文献是《zonghuazhang,catherinee.towers,anddavidp.towers.timeefficientcolorfringeprojectionsystemforsimultaneous3dshapeandcolorusingoptimum3-frequencyselection.opticsexpress,2006,14(14):6444-6455》；

2.2)采用与步骤2.1)相同的方法生成三组满足同样个数的竖直正弦条纹图像，每组竖直正弦条纹图像包含四幅彼此间有90°相位移动的正弦条纹图像，竖直条纹被调制在蓝色通道中，得到蓝色竖直条纹图像；

3)采集条纹图像：

将步骤2.1)得到的三组红蓝水平竖直交叉条纹图像依次显示在折射显示屏4上，主相机2和从相机3采集先后经过参考镜面(参考镜面安装于固定装置7上，位置与待测镜面物体相同)与待测镜面物体反射后的虚像，并将得到的变形红蓝交叉条纹图像存储到电脑1中供后续处理；将步骤2.2)得到的蓝色竖直条纹图像显示在反射显示屏5上，主相机2采集先后经参考镜面与待测镜面物体反射后的虚像，并将得到的变形蓝色条纹图像存储到电脑1中供后续处理；

4)相位计算：对步骤3)采集到的变形红蓝交叉条纹图像经过红、蓝颜色通道分离得到变形红色条纹图像和变形蓝色条纹图像；

4.1)水平相位计算，对分离后得到的三组变形红色条纹图像采用四步相移法处理得到三幅红色通道折叠相位图，将三幅红色通道折叠相位图利用最佳条纹选择算法得到水平相位的展开相位图；

4.2)竖直相位计算，采用与步骤4.1)相同的方法，对变形蓝色条纹图像处理得到竖直相位的展开相位图；

5)区域分离：将步骤4)计算所得展开相位数据进行区域分离，连续区域的待测镜面物体表面信息使用双目系统利用梯度积分方法进行计算，提高局部测量精度；非连续区域的待测镜面物体表面信息使用双屏系统利用直接相位测量偏折术进行计算；

6)标定测量装置，为建立展开相位图与待测镜面物体表面的三维形貌间的关系提供所需参数；首先标定相机，根据张正友标定原理使用二维标定板通过matlab标定工具箱标定相机的内部参数；其次使用基于模型的方法对双屏系统的结构参数进行标定，具体可见参考文献《shujunhuang,yueliu,nangao,zonghuazhang,fenggao,xiangqianjiang.distancecalibrationbetweenreferenceplaneandscreenindirectphasemeasuringdeflectometry.sensors,2018,18(1):144》；最后基于全局迭代优化算法对双目系统的结构参数进行标定，具体可见参考文献《yongjiaxu,fenggao,zonghuazhang,xiangqianjiang.aholisticcalibrationmethodwithiterativedistortioncompensationforstereodeflectometry.opticsandlasersinengineering,2018,106:111-118》；

7)连续区域待测镜面物体表面信息测量：对连续区域的待测镜面物体表面信息采用立体视觉的方法进行测量；由光线的反射定律可知，物点一定处于反射光线上且物点的法向量唯一，因此可通过假设物点在反射光线上的位置寻找主相机2和从相机3中的法向量相同物点位置来确定物点的法向量；

7.1)计算物点在主相机2中的法向量：根据公式(1)可通过展开相位得到主相机2成像平面像素点与折射显示屏4上投射点p(u，v)的映射关系；

公式(1)中：u为投射点在折射显示屏4上的横坐标，v为投射点在折射显示屏4上的纵坐标；q为竖直条纹的周期，qs为水平条纹的周期；为主相机2成像平面像素点的竖直条纹展开相位，为主相机2成像平面像素点的水平条纹展开相位；

假设物点的高度后，根据入射光线和反射光线的方向向量即可确定物点处的法向量，其中入射光线单位方向向量反射光线单位方向向量与法线单位方向向量的关系如下所示：

7.2)计算物点在从相机3中的法向量：由假设物点的位置与从相机3的光心位置计算经过该物点反射进入从相机3的反射光线的方向向量，然后根据公式(2)计算物点在从相机3中的法向量；

7.3)计算物点法向量：比较物点在主相机2和从相机3中的法向量；当两个法向量重合时认为假设的物点高度为实际物点高度，与之对应的法向量为实际物点法向量；若两个法向量不重合，重新假设物点高度后重复步骤7.1)和步骤7.2)直至满足两个法向量重合；

7.4)积分恢复待测镜面物体表面三维形貌：通过步骤7.3)得到物点处的法向量后，为得到更精确的结果，对物点梯度进行积分来恢复待测镜面物体表面的三维形貌；

8)非连续区域待测镜面物体表面信息测量：使用直接相位测量偏折术根据公式(3)对非连续区域的待测镜面物体表面三维形貌进行测量；

公式(3)中：h为待测镜面物体表面相对于参考镜面的深度；d为参考镜面与反射显示屏5经过半透半反镜6反射后所成图像之间的距离；δd为折射显示屏4与反射显示屏5经过半透半反镜6反射后所成图像之间的距离；为参考镜面反射的反射显示屏5的绝对相位值，为参考镜面反射的折射显示屏4的绝对相位值；为待测镜面物体表面反射的反射显示屏5的绝对相位值，为待测镜面物体表面反射的折射显示屏4的绝对相位值；

9)区域拼接：以主相机2像素为基准，将连续区域与非连续区域拼接到一起，恢复整个待测镜面物体表面的三维形貌，达到测量非连续物体的同时提高测量精度的目的。

本发明未述及之处适用于现有技术。