趙　燦,　陳　秀

(黑龍江科技大學 現代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

?

基于線性透鏡陣列的面結構光三維測量方法

趙燦,陳秀

(黑龍江科技大學 現代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

面結構光測量無法處理類鏡面物體由反光產生的強光區(qū)域,且無法提取物體在陰影區(qū)域里的有效信息,造成測量噪聲大和測量數據不完整。基于正弦光柵的面結構光測量方法，提出一種基于線性透鏡陣列的面結構光三維測量方法,通過在測量設備和被測量物體間加裝線性透鏡陣列,使得正弦光柵在豎直方向把一維的光線轉化為一個二維反射光的光域,有效地解決了結構光在測量過程中存在的反光及陰影問題。經過理論分析與實驗驗證,該方法切實可行。

透鏡陣列; 面結構光; 反光; 陰影

0　引　言

面結構光三維測量是將一定模式的光柵條紋圖像投射到待測物表面,依據被測物形狀調制其發(fā)生變形的光柵圖,進而計算被測物的三維信息數據的一種主動式光學測量技術[1-2]。因其恢復被測物體的信息準確、快速,已被廣泛應用于產品檢測、目標識別、逆向工程等許多領域[3-5]。但結構光測量方法也存在局限性,主要表現為兩方面:其一是反光。當光和待測的反光物體同時存于測量區(qū)域內,傳感器接收到的是反射光而非物體的特征信息[6]。常見的應對高亮度場景的技術是包圍曝光,然而這項技術需要處理不同曝光下的多幅圖像,大大增加了測量時間。其二是陰影。結構光測量方法需要傳感器與光源之間有一定的間隙(用三角法計算深度),這使得到的圖像中產生強烈的陰影,在深度圖上會出現一個“洞”。多束光源的方法可使圖中產生的“洞”被其他光源所彌補[6],但多束光源需要循環(huán)的激活,由此增加圖像的數量、延長測量時間。故測量完整的點云,結構光視覺方法一定要突破反光和暗影的限制。經研究發(fā)現，基于正弦光柵的面結構光測量方法的光柵灰度值是按水平方向成正弦周期變化的，其豎直方向是一致的。光柵在沿豎直方向經線性透鏡陣列散射后，可降低測量過程中的反光與陰影。因此，筆者通過理論分析與實踐,給出相應的解決方法,在保證精度的同時提高測量效率。

1　基于線性陣的面結構光測量原理

1.1相位測量原理

應用相位移技術的相位測量輪廓術(PMP,phase measurement profilometry)是一種典型的面結構光三維面型測量方法[4]。其基本原理是通過數字投影機(DLP或LCD)將不同頻率的帶有相位移動的正弦光柵投射到被測量物體表面,應用相移算法進行相位計算與相位解包裹[7]。圖1為文中采用四步相移方法投射的正弦光柵圖案。其中的ω1、ω2和ω3代表三種不同的頻率。每個頻率的正弦光柵相移π/2后,光柵光強用如下公式表示:

I1(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ(x,y),

(1)

I2(x,y)=A(x,y)-B(x,y)sinφ(x,y),

(2)

I3(x,y)=A(x,y)-B(x,y)cosφ(x,y),

(3)

I4(x,y)=A(x,y)+B(x,y)sinφ(x,y)。

(4)

式中的A(x,y)表示背景光強,B(x,y)表示調制光強,式(1)～(4)削去A(x,y)和B(x,y)得

式中的 φ(x,y)就是要求解的折疊相位值。應用文獻[7]中的方法進行折疊相位展開。

圖1　投射的光柵

1.2線性陣列散射原理

由正弦光柵分析可知:(1)正弦光柵沿著x方向呈正弦變化,在y方向的光強值相同?？蓪⑦@種在y方向上的正弦光柵看作是由一組具有相同光強的平行光組成。(2)y方向上的光強通過具有線性陣列的透鏡散射后,光強只是在透鏡的散射軸方向散射,也就是沿著y方向散射,不改變x方向的正弦性。

基于上述分析,文中提出了一種簡單有效的方法來抑制面結構光相位輪廓測量過程中由反光與陰影造成的測量數據不完整的問題,即在面結構光投射裝置和被測量物體之間加裝一塊線性透鏡陣列透鏡,使得原本強反光的區(qū)域反光強度減弱,原本有陰影的區(qū)域也能觀察到光柵條紋,具體原理如圖2所示。當一束平行光直接照射到場景中的反光球體后,在無線性陣列透鏡時,點P位于球體的強反光區(qū)域,相機拍攝的圖像會出現過飽和現象,該點無法測量;點Q位于球體的下側區(qū)域,光柵條紋無法覆蓋該區(qū)域,無光線進入相機,無法實現該點測量;點R位于球體的陰影區(qū),出現了遮擋現象也無法測量到該點。當加入線性透鏡陣列后,一條光線經過散射之后形成一組扇面光,P點被一組光線照射,極大的減輕了該點的反光,有部分散射光線會照射到Q點和R點,進而減輕遮擋和陰影的影響。

圖2　加入線性透鏡前后的原理

2　實　驗

2.1硬件及組成

為驗證上述加入線性透鏡陣列的結構光三維測量方法,搭建了線性透鏡陣列面結構光三維掃描系統(圖3)。該系統由投射器(1 024×768)、相機(BaslerA102f1 392×1 040)、計算機及透鏡陣列(EdmundopticspartnumberNT43-02912×12)組成。

圖3　線性透鏡陣列面結構光三維掃描系統

2.2實驗

2.2.1陰影

圖4為對石膏人像加入線性透鏡陣列前后光柵條紋覆蓋區(qū)域的對比圖,圖5為加入線性透鏡陣列前后點云數據對比圖。

圖4　光柵條紋覆蓋效果

圖4a為普通結構光下投射光柵的圖,可見人像兩側鼻翼和臉腮部為陰影區(qū)。圖5a的點云數據中對應陰影區(qū)的信息提取不完整,圖4b為加入透鏡陣列后投射的光柵圖。比較圖4發(fā)現,普通結構光陰影部分經過線性透鏡陣列將光線轉化后,陰影區(qū)域消失,被光柵條紋覆蓋,對應圖5b人像的點云數據獲得的更完整。

圖5　點云數據

2.2.2反光

圖6為對葉片榫頭反光部分進行實驗的過程圖,圖7為加入線性透鏡陣列前后點云數據對比圖。觀察加入線性透鏡陣列前后的效果圖可發(fā)現,加入透鏡陣列前(圖6a),與光柵垂直的平面部分有刺眼的強光反射,物體反光部分無法測量(圖7a),加入透鏡陣列過程中(圖6b),測量場景中的光變的柔和,加入透鏡陣列后(圖6c),榫頭表面有光柵條紋覆蓋,被測物體的三維信息獲得的基本完整(圖7b)。

圖8為加入線性透鏡陣列前后誤差分析對比圖。測得點云數據后,應用Geomagicqualify進行誤差分析,加入透鏡陣列測得的點云數據精度高于普通結構光測得的點云。普通光線經加入線性透鏡陣列轉化為光域后,測得的點云趨于完整,不需要依靠自動補點,所以大范圍的偏差值明顯減少。

圖6　反光效果

圖7　點云數據

圖8　面結構光誤差分析

3　結束語

針對面結構光測量時遇到的反光及陰影問題,提出一種基于線性透鏡陣列的面結構光三維測量方法,建立線性透鏡陣列三維掃描實驗系統,并應用Geomagicqualify軟件,對精度進行比對分析。經實驗驗證,測量同一物體時,加入線性透鏡陣列的面結構光在精度和效率上都優(yōu)于普通的面結構光。這對面結構光測量具有實際意義。

[1]CHENF,BROWNGM,SONGM.Overviewofthree-dimensionalshapemeasurementusingopticalmethods[J].OpticalEngineering, 2000, 39(1): 10-22.

[2]ZHANG S, YAU S T. High-resolution, real-time 3D absolute coordinate measurement based on a phase shifting method[J]. Optics Express, 2006, 14(7): 2644-2649.

[3]呂乃光, 孫鵬, 婁小平, 等. 結構光三維視覺測量關鍵技術的研究[J]. 北京信息科技大學學報: 自然科學版, 2010, 25(1): 1-4.

[4]李中偉. 基于數字光柵投影的結構光三維測量技術與系統研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2009.

[5]GONG Y Z, ZHANG S. Ultrafast 3-D shape measurement with an off-the-shelf DLP projector[J]. Optics Express, 2010, 18(19): 19743-19754.

[6]MCGUNNIGLE G. Photometric stereo with gradated extended sources for recovery of specular surfaces[J]. JOSA A, 2010, 27(5): 1127-1136.

[7]REICH C, RITTER R, THESING J. White light heterodyne principle for 3D-measurement[J]. In Lasers and Optics in Manufacturing III, 1997, 3100: 236-242.

(編輯晁曉筠)

Structured light 3D measurement method based on linear lens array

ZHAOCan,CHENXiu

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at an answer to the surface structured light measurement method incapable of coping with the specular object produced by the reflective area and recovering effective information on objects in the shaded area, thus producing a greater measurement noise and incomplete measurement data, this paper, drawing on surface structured light measurement method of the sinusoidal illumination patterns, proposes a linear lens array-based structured light 3D measurement method. The method affords an effective solution to the presence of specularities and shadow negatively affecting structured light measurement process, by installing a linear lens array between the measuring device and measured object and turning the sinusoidal illumination patterns in the vertical direction from one-dimensional light into two-dimensional reflected light field. The theoretical analysis and experimental verification show feasibility of the method.

lens array; surface structured light; specularities; shadows

2013-05-27

國家自然科學基金面上項目(51075128);國家科技重大專項項目(2010ZX04016-012)

趙燦(1958-),男,遼寧省阜新人,教授,碩士,研究方向:高速加工與精密測量,E-mail:zhaocan-hist@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.013

TH741

1671-0118(2013)05-0459-04

A