應(yīng)冬梅 郭陽寬

摘要：針對(duì)薄壁機(jī)械零件設(shè)計(jì)了基于面結(jié)構(gòu)光的三維視覺測量系統(tǒng)。搭建硬件系統(tǒng)并采用系統(tǒng)標(biāo)定、四步相移和時(shí)間相位展開等關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的三維重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過該系統(tǒng)獲得零件各參數(shù)的方案具有高準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：面結(jié)構(gòu)光;四步相移;時(shí)間相位展開;三維重建

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0182-02

0 引言

大多數(shù)的機(jī)械零部件測量方式為接觸式測量，不僅存在檢測速度慢、精度低、人工成本高等問題，測量方式也具有主觀性的測量誤差，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)零部件表面造成難以預(yù)計(jì)的損傷。并鑒于機(jī)器視覺檢測技術(shù)具有高效率、高精度、高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[1]，本文設(shè)計(jì)了基于面結(jié)構(gòu)光的三維視覺[2]測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。主要由工業(yè)相機(jī)、投影儀、固定支架、計(jì)算機(jī)組成。投影儀投射四副不同頻率的光柵條紋圖至零件上，工業(yè)相機(jī)采集經(jīng)零件表面調(diào)制變形的條紋圖并運(yùn)用四步相移算法和時(shí)間相位展開算法對(duì)其進(jìn)行相位提取和展開，根據(jù)相機(jī)和投影儀標(biāo)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的三維重建。

2 算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為六大模塊，如圖2所示。

本文采用相移法，投影光強(qiáng)是標(biāo)準(zhǔn)余弦分布。相移圖案每次移動(dòng)2π/N的相位，產(chǎn)生一個(gè)新的光強(qiáng)函數(shù)In（x，y），平移N-1次，獲得N幅相移圖案。四步相移法[3]是將投射的相移圖案每次平移π/2，平移三次。如圖3所示。

I1（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

I2（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+π/2]? ? ? ? ? ? （2）

I3（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+π]? ? ? ? ? ? ? ?（3）

I4（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+3π/2]? ? ? ? ? ?（4）

其中Ii（i=1，2，3，4）為第i幅相移圖案的條紋灰度值。I'（x，y）為光強(qiáng)的背景值，I''（x，y）為調(diào)制光強(qiáng)值，φ（x，y）為所求的相位值。

式（1）-式（3）得：I1（x，y）-I3（x，y）=2Bcosj（x，y）? ? ? ? ? ? （5）

式（2）-式（4）得：I4（x，y）-I2（x，y）=2Bsinj（x，y）? ? ? ? ? ? （6）

由式（5）和（6）得：j（x，y）=arctan（）? ? ? ?（7）

求出的j（x，y）為截?cái)嘞辔?，如圖4和圖5所示。

由上述求出的截?cái)嘞辔灰玫竭B續(xù)分布的相位絕對(duì)值（x，y）就必須要對(duì)它的主值相位進(jìn)行展開。

本文所采取時(shí)間相位展開算法如下：（x，y）=2nπ+j（x，y） （8）

通過時(shí)間相為展開算法獲得連續(xù)相位值后，根據(jù)物相轉(zhuǎn)換關(guān)系得到零件的高度信息，根據(jù)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)得到零件二維坐標(biāo)信息，通過點(diǎn)云濾波、處理等過程獲得理想的點(diǎn)云圖像并導(dǎo)入SolidWorks實(shí)現(xiàn)三維重建和尺寸測量。

3 系統(tǒng)搭建與測試

搭建了整體硬件系統(tǒng)后，圖6是四步相移圖案至測量零件表面采集的變形條紋圖;圖7的三幅圖分別是軟件處理得到的點(diǎn)云圖、濾波后點(diǎn)云圖以及獲得的零件三維圖。

4 結(jié)語

本文研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁零件三維測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)搭建和軟件算法編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁零件的三維測量，并且基于面結(jié)構(gòu)光的單目視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，有望應(yīng)用于其它物品的三維檢測。只是算法優(yōu)化有待進(jìn)一步完善，以進(jìn)一步確保檢更高的精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊潔，李樂.基于機(jī)器視覺的表面粗糙度測量與三維評(píng)定[J].光學(xué)技術(shù)，2016，42（06）：491-495.

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[3] 王秀鵬.基于面結(jié)構(gòu)光的航空零部件三維測量和精度檢測[D].華中科技大學(xué)，2012.

Research and Realization of? Mechanical Parts Measurement System

YING Dong-mei，GUO Yang-kuan

（Key Laboratory of? Beijing for Optoelectronic Measurement Technology， Beijing Information Science

and Technology University， Beijing? 100192）

Abstract：A 3D visual measurement system based on surface structured light is designed for mechanical parts. The 3D reconstruction of the parts is realized by the key algorithms such as system calibration， four-step phase shift and time phase expansion. The experimental results show that the scheme of obtaining the parameters of the parts by the system has high accuracy.

Key words：surface structured light; four-step phase shift; time phase UNWRAPPING; three-dimensional reconstruction