基于線性透鏡陣列的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法

趙　燦,　陳　秀

(黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

?

基于線性透鏡陣列的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法

趙燦,陳秀

(黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

面結(jié)構(gòu)光測(cè)量無法處理類鏡面物體由反光產(chǎn)生的強(qiáng)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(cè)量噪聲大和測(cè)量數(shù)據(jù)不完整?；谡夜鈻诺拿娼Y(jié)構(gòu)光測(cè)量方法，提出一種基于線性透鏡陣列的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法,通過在測(cè)量設(shè)備和被測(cè)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(zhuǎn)化為一個(gè)二維反射光的光域,有效地解決了結(jié)構(gòu)光在測(cè)量過程中存在的反光及陰影問題。經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法切實(shí)可行。

透鏡陣列; 面結(jié)構(gòu)光; 反光; 陰影

0　引　言

面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量是將一定模式的光柵條紋圖像投射到待測(cè)物表面,依據(jù)被測(cè)物形狀調(diào)制其發(fā)生變形的光柵圖,進(jìn)而計(jì)算被測(cè)物的三維信息數(shù)據(jù)的一種主動(dòng)式光學(xué)測(cè)量技術(shù)[1-2]。因其恢復(fù)被測(cè)物體的信息準(zhǔn)確、快速,已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、逆向工程等許多領(lǐng)域[3-5]。但結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法也存在局限性,主要表現(xiàn)為兩方面:其一是反光。當(dāng)光和待測(cè)的反光物體同時(shí)存于測(cè)量區(qū)域內(nèi),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(yīng)對(duì)高亮度場(chǎng)景的技術(shù)是包圍曝光,然而這項(xiàng)技術(shù)需要處理不同曝光下的多幅圖像,大大增加了測(cè)量時(shí)間。其二是陰影。結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法需要傳感器與光源之間有一定的間隙(用三角法計(jì)算深度),這使得到的圖像中產(chǎn)生強(qiáng)烈的陰影,在深度圖上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“洞”。多束光源的方法可使圖中產(chǎn)生的“洞”被其他光源所彌補(bǔ)[6],但多束光源需要循環(huán)的激活,由此增加圖像的數(shù)量、延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。故測(cè)量完整的點(diǎn)云,結(jié)構(gòu)光視覺方法一定要突破反光和暗影的限制。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，基于正弦光柵的面結(jié)構(gòu)光測(cè)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(jīng)線性透鏡陣列散射后，可降低測(cè)量過程中的反光與陰影。因此，筆者通過理論分析與實(shí)踐,給出相應(yīng)的解決方法,在保證精度的同時(shí)提高測(cè)量效率。

1　基于線性陣的面結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理

1.1相位測(cè)量原理

應(yīng)用相位移技術(shù)的相位測(cè)量輪廓術(shù)(PMP,phase measurement profilometry)是一種典型的面結(jié)構(gòu)光三維面型測(cè)量方法[4]。其基本原理是通過數(shù)字投影機(jī)(DLP或LCD)將不同頻率的帶有相位移動(dòng)的正弦光柵投射到被測(cè)量物體表面,應(yīng)用相移算法進(jìn)行相位計(jì)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(gè)頻率的正弦光柵相移π/2后,光柵光強(qiáng)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(qiáng),B(x,y)表示調(diào)制光強(qiáng),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(yīng)用文獻(xiàn)[7]中的方法進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)的平行光組成。(2)y方向上的光強(qiáng)通過具有線性陣列的透鏡散射后,光強(qiáng)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(jiǎn)單有效的方法來抑制面結(jié)構(gòu)光相位輪廓測(cè)量過程中由反光與陰影造成的測(cè)量數(shù)據(jù)不完整的問題,即在面結(jié)構(gòu)光投射裝置和被測(cè)量物體之間加裝一塊線性透鏡陣列透鏡,使得原本強(qiáng)反光的區(qū)域反光強(qiáng)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(dāng)一束平行光直接照射到場(chǎng)景中的反光球體后,在無線性陣列透鏡時(shí),點(diǎn)P位于球體的強(qiáng)反光區(qū)域,相機(jī)拍攝的圖像會(huì)出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象,該點(diǎn)無法測(cè)量;點(diǎn)Q位于球體的下側(cè)區(qū)域,光柵條紋無法覆蓋該區(qū)域,無光線進(jìn)入相機(jī),無法實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)測(cè)量;點(diǎn)R位于球體的陰影區(qū),出現(xiàn)了遮擋現(xiàn)象也無法測(cè)量到該點(diǎn)。當(dāng)加入線性透鏡陣列后,一條光線經(jīng)過散射之后形成一組扇面光,P點(diǎn)被一組光線照射,極大的減輕了該點(diǎn)的反光,有部分散射光線會(huì)照射到Q點(diǎn)和R點(diǎn),進(jìn)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(shí)　驗(yàn)

2.1硬件及組成

為驗(yàn)證上述加入線性透鏡陣列的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法,搭建了線性透鏡陣列面結(jié)構(gòu)光三維掃描系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)由投射器(1 024×768)、相機(jī)(BaslerA102f1 392×1 040)、計(jì)算機(jī)及透鏡陣列(EdmundopticspartnumberNT43-02912×12)組成。

圖3　線性透鏡陣列面結(jié)構(gòu)光三維掃描系統(tǒng)

2.2實(shí)驗(yàn)

2.2.1陰影

圖4為對(duì)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(duì)比圖,圖5為加入線性透鏡陣列前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

圖4　光柵條紋覆蓋效果

圖4a為普通結(jié)構(gòu)光下投射光柵的圖,可見人像兩側(cè)鼻翼和臉腮部為陰影區(qū)。圖5a的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)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(xiàn),普通結(jié)構(gòu)光陰影部分經(jīng)過線性透鏡陣列將光線轉(zhuǎn)化后,陰影區(qū)域消失,被光柵條紋覆蓋,對(duì)應(yīng)圖5b人像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得的更完整。

圖5　點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2.2反光

圖6為對(duì)葉片榫頭反光部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程圖,圖7為加入線性透鏡陣列前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比圖。觀察加入線性透鏡陣列前后的效果圖可發(fā)現(xiàn),加入透鏡陣列前(圖6a),與光柵垂直的平面部分有刺眼的強(qiáng)光反射,物體反光部分無法測(cè)量(圖7a),加入透鏡陣列過程中(圖6b),測(cè)量場(chǎng)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(cè)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(duì)比圖。測(cè)得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,應(yīng)用Geomagicqualify進(jìn)行誤差分析,加入透鏡陣列測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高于普通結(jié)構(gòu)光測(cè)得的點(diǎn)云。普通光線經(jīng)加入線性透鏡陣列轉(zhuǎn)化為光域后,測(cè)得的點(diǎn)云趨于完整,不需要依靠自動(dòng)補(bǔ)點(diǎn),所以大范圍的偏差值明顯減少。

圖6　反光效果

圖7　點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖8　面結(jié)構(gòu)光誤差分析

3　結(jié)束語

針對(duì)面結(jié)構(gòu)光測(cè)量時(shí)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(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法,建立線性透鏡陣列三維掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并應(yīng)用Geomagicqualify軟件,對(duì)精度進(jìn)行比對(duì)分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)量同一物體時(shí),加入線性透鏡陣列的面結(jié)構(gòu)光在精度和效率上都優(yōu)于普通的面結(jié)構(gòu)光。這對(duì)面結(jié)構(gòu)光測(cè)量具有實(shí)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(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 25(1): 1-4.

[4]李中偉. 基于數(shù)字光柵投影的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51075128);國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)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(cè)量,E-mail:zhaocan-hist@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.013

TH741

1671-0118(2013)05-0459-04

A