徐 平

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院 ，河南 鄭州 451191)

在產(chǎn)品質(zhì)量缺陷檢測(cè)中，有時(shí)需要用到產(chǎn)品的三維信息，如機(jī)械零部件中常見的孔和裂紋缺陷，既需要直徑數(shù)據(jù)又需要孔的深度參數(shù)，此時(shí)就要進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的獲取。目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取方法有結(jié)構(gòu)光法[1-4]和立體視覺法[5-8]。結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)通常用于干擾因素較少的場(chǎng)合，以避免其他光源對(duì)結(jié)構(gòu)光編碼信息產(chǎn)生干擾，但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，周圍物體的反射光線或者環(huán)境中其他光源都會(huì)導(dǎo)致相機(jī)采集到錯(cuò)誤信息。這些干擾因素包括漫反射、互反射、表面散射和投影儀離焦等。Achar等[9]對(duì)全局光照形成原因進(jìn)行了分析，并采用多投影儀分離全局光照；林志潔等[10]提出了一個(gè)投影顯示補(bǔ)償方法來減少互反射，并防止圖像質(zhì)量下降；張?jiān)揭籟11]提出使用高頻條紋抵抗全局光照的干擾；王昌龍等[12]采用一種組合編碼結(jié)構(gòu)光碼值優(yōu)化方法來減少反射光的影響。

本研究通過搭建結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)影響結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)精度的主要干擾因素進(jìn)行了分析，以期提高結(jié)構(gòu)光測(cè)量質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)原理

結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)基于三角法工作原理，一般可根據(jù)光源的不同分為點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光、線式結(jié)構(gòu)光和光柵(編碼)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。本研究采用光柵結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，主要包括相機(jī)、光源(投影儀)和被測(cè)物體，其中相機(jī)一般為CCD相機(jī)，用于接收被測(cè)物體表面圖像，投影儀用于產(chǎn)生拍照所需的明暗不同的光線。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system

在該系統(tǒng)中，相機(jī)、投影儀(光源)形成三角關(guān)系，可利用它們之間的三角幾何信息進(jìn)行三維測(cè)量，具體過程如下：利用投影儀將按照一定規(guī)律排列的明暗相間的光照射到被測(cè)物體表面，由于被測(cè)物體表面不同，投射的光會(huì)扭曲變形，而變形和物體表面的形狀有著直接關(guān)系，CCD相機(jī)能夠捕捉到明暗變化的圖像(點(diǎn)云)。如果相機(jī)、投影儀與被測(cè)物體之間的距離一定，即可利用得到的圖像獲得產(chǎn)品表面的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件包括投影儀、CCD相機(jī)(相關(guān)參數(shù)見表1)，軟件包括標(biāo)定軟件和檢測(cè)程序。

表1 硬件參數(shù)Tab.1 Parameters of the hardware

采用結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)進(jìn)行零部件表面缺陷檢測(cè)時(shí)，需要基于采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，故點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響檢測(cè)效果。但是，在實(shí)際采集過程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)常受到周圍環(huán)境的影響，為此對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析。

2 影響測(cè)量精度的因素

2.1 外部光源

在分析過程中，對(duì)一個(gè)木板(圖2)進(jìn)行了測(cè)試。該木板表面有孔裂紋，以孔識(shí)別為基礎(chǔ)對(duì)影響測(cè)試過程的因素進(jìn)行了分析。基于結(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)進(jìn)行表面信息獲取時(shí)，一般是利用豎直方向的數(shù)據(jù)點(diǎn)來獲取高度或者深度的數(shù)據(jù)，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，孔的相關(guān)點(diǎn)云會(huì)有一定的Z值(此處默認(rèn)豎直方向?yàn)閆方向)，可以利用Z值來區(qū)分木板表面和孔，如圖3所示。

圖2 測(cè)試用木板 圖3 面和孔點(diǎn)云示意圖 Fig.2 Test board Fig.3 Picture of the plate and hole points cloud

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，平面點(diǎn)云坐標(biāo)值也不完全一致，而是一個(gè)區(qū)間。分析可能是外部光源的影響，為此分別對(duì)有、無外部光源的情況進(jìn)行了對(duì)比。其中：有外部光源是在測(cè)試過程中外部采用40 W日光燈提供照明，且燈管在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)正上方1 m處；無外部光源是利用紙箱將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)完全密閉，保證沒有光源影響。

光源對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響見圖4。為了避免測(cè)試過程中隨機(jī)誤差的存在，每次測(cè)量都進(jìn)行了3次。

圖4 光源對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響Fig.4 The effect of light on points cloud

由圖4可見：當(dāng)存在外部光源時(shí)，3次所測(cè)得的表面Z坐標(biāo)最大值約為11.8 mm，最小值約為9.6 mm，誤差達(dá)到2.2 mm；當(dāng)無外部光源影響時(shí)，雖然表面Z坐標(biāo)也有一定差別，但3次測(cè)量的重復(fù)性較好，誤差基本能夠控制在1 mm左右(Z坐標(biāo)的最大值和最小值之差)。主要原因是結(jié)構(gòu)光方法采用格雷碼結(jié)合相移的編碼，該方法的基礎(chǔ)是灰度值，當(dāng)外部有光源時(shí)，會(huì)在投影儀基礎(chǔ)上增加一個(gè)光源，使獲取的灰度值偏大而導(dǎo)致誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮外部光源的影響，盡量避免外部光源，可以采用密室來減少干擾信號(hào)。

2.2 金屬表面反射

在對(duì)零部件表面特征進(jìn)行提取時(shí)，有時(shí)零件表面會(huì)有反射。比如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)構(gòu)，由于其表面粗糙度較低，金屬表面甚至?xí)霈F(xiàn)鏡面反射，此時(shí)有無外部光源，在數(shù)據(jù)采集過程中都會(huì)有反射現(xiàn)象。為此，對(duì)有、無反射進(jìn)行了對(duì)比，第一次數(shù)據(jù)采集時(shí)不對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，第二次對(duì)金屬表面進(jìn)行噴涂處理，以消除鏡面反射。

圖5為金屬表面有無涂層時(shí)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖5可知：無涂層時(shí)，金屬的鏡面反射較為嚴(yán)重，使得采集到的點(diǎn)云出現(xiàn)了無點(diǎn)云數(shù)據(jù)的情況，進(jìn)而無法得到相關(guān)特征；金屬表面增加涂層后，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就較為完整，4個(gè)孔的特征都能夠明顯看到。

圖5 有、無涂層時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 The comparasion of data with and without coat

由此可見，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可在金屬表面添加涂層，消除金屬表面的鏡面反射，以利于后續(xù)產(chǎn)品缺陷特征的提取。

3 結(jié)論

基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)對(duì)物體表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，干擾因素會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，針對(duì)外部光源和產(chǎn)品表面反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)外部光源使得獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)值存在較大誤差，建議在實(shí)際測(cè)試過程中采用密室方法屏蔽外部光源。

(2)金屬表面的反射使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法獲取，建議在實(shí)際測(cè)試過程中對(duì)其表面進(jìn)行鈍化處理。