高亮度下近紅外激光散斑投射的輪廓測(cè)量

梁 晉，梁 瑜，張桁維，徐勁瀾，孟繁昌，尤 威，劉烈金

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

高亮度下近紅外激光散斑投射的輪廓測(cè)量

梁 晉，梁 瑜，張桁維，徐勁瀾，孟繁昌，尤 威，劉烈金

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

為實(shí)現(xiàn)在高亮度條件下模型外形輪廓的測(cè)量，首先在計(jì)算機(jī)上生成隨機(jī)矢量化散斑圖案，并用激光雕刻技術(shù)制成散斑片作為散斑投射模板，采用光波為850nm的VCSEL激光器作為投射光源并制成激光散斑投射器。在高亮度條件下，通過給相機(jī)加裝窄帶濾光鏡實(shí)現(xiàn)散斑圖像的清晰獲取，最后基于數(shù)字圖像相關(guān)法完成圖像的立體匹配并最終解算出模型點(diǎn)云。實(shí)驗(yàn)表明：該方法在20400lx條件下仍然可以實(shí)現(xiàn)模型的外形輪廓測(cè)量，且標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差為0.0384%；應(yīng)用近紅外激光散斑投射并給相機(jī)加裝窄帶濾光鏡可有效減少干擾光影響，可以在高亮度條件下完成模型輪廓的精準(zhǔn)測(cè)量。

輪廓測(cè)量；數(shù)字圖像相關(guān)法；散斑；近紅外激光

0 引 言

基于結(jié)構(gòu)光的計(jì)算機(jī)視覺是光學(xué)測(cè)量的一個(gè)重要分支，它是將一定模式的光投射到被測(cè)物體表面，通過分析圖案在物體上的變形，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來求取物體的三維信息[1]。這是一種主動(dòng)式給待測(cè)物體投射標(biāo)記點(diǎn)的方法，通常可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面結(jié)構(gòu)光，由于面結(jié)構(gòu)光在輪廓測(cè)量具有很高的效率，近年來得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其中Li等[2-3]對(duì)結(jié)構(gòu)光法進(jìn)行了深入研究，除了結(jié)構(gòu)光法以外，Malowany等[4]應(yīng)用激光測(cè)距的方法對(duì)鍋爐實(shí)現(xiàn)了幾何模型測(cè)量，Umemoto等[5]應(yīng)用莫爾條紋的方法實(shí)現(xiàn)了混凝土的表面測(cè)量，Li等[6-7]采用相移法進(jìn)行輪廓測(cè)量。而在特殊環(huán)境下的模型輪廓測(cè)量，如在高亮度條件下，往往無法采集到清晰且?guī)в刑卣鲌D案的圖像，所以無法正常解算模型點(diǎn)云。激光掃描用于輪廓測(cè)量主要體現(xiàn)在地形、地貌和建筑物測(cè)量[8-9]，而對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的輪廓測(cè)量主要針對(duì)的是室內(nèi)較為理想的場(chǎng)合，而在復(fù)雜光照條件下的輪廓測(cè)量目前還少有研究。

本文結(jié)合雙目立體視覺[10-11]和數(shù)字圖像相關(guān)法[12-13]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了近紅外激光散斑投射測(cè)量系統(tǒng)，利用窄帶濾光鏡的透光特性來最大程度地消除干擾光的影響，從而實(shí)現(xiàn)了高亮度條件下的模型輪廓測(cè)量。該散斑投射測(cè)量系統(tǒng)體積小、便攜，測(cè)量速度快，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 隨機(jī)矢量化散斑圖案生成

紅外激光散斑主動(dòng)投射器需要一個(gè)散斑模板，即散斑片。首先在計(jì)算機(jī)上生成散斑矢量圖，使用激光雕刻制成透光散斑模板，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)矢量化散斑包括4步：

1）設(shè)置光源

在圖像范圍內(nèi)，隨機(jī)放置N個(gè)虛擬光源，整個(gè)圖像范圍內(nèi)所有區(qū)域均受到該光源的影響，光源強(qiáng)度和位置隨機(jī)，如圖1（a）所示。

2）生成灰度圖像

圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值受所有光源影響，其計(jì)算公式為

式中：g（x，y）——像素灰度值；

Ki——每個(gè)光源的亮度（0～255隨機(jī)數(shù)）；

（sxi，syi）——每個(gè)光源的坐標(biāo)位置（隨機(jī)數(shù)）；

σ——光強(qiáng)因子（1～10間取值）。

為了得到像素級(jí)的隨機(jī)散斑，光源個(gè)數(shù)N一般取圖像寬度的2～3倍，且最終的灰度值必須進(jìn)行歸一化處理使之介于0～255之間，生成的灰度圖像如圖 1（b）所示。

3）圖像二值化

對(duì)生成的灰度圖像進(jìn)行二值化處理，即圖像中大于128的像素點(diǎn)灰度值置為255，其余像素點(diǎn)灰度值置為0，可得到黑白兩色的二值化圖像，如圖1（c）所示。

圖1 矢量散斑生成流程

4）矢量化

對(duì)二值化圖像進(jìn)行逐行掃描，將所有連同的白色區(qū)域連接為矩形單元，最終整幅矢量圖由H（圖像高度）層微小矩形堆積而成，如圖1（d）所示。

隨機(jī)矢量化散斑圖像繪制完成后，選用玻璃鏡片通過激光刻蝕雕刻制成透光散斑片，將其作為激光散斑投射的模板。

1.2 近紅外激光散斑投射器

投射器的作用是將精細(xì)的散斑圖案投射到模型表面，激光器發(fā)光透過擴(kuò)散鏡和聚焦鏡最后通過特制的散斑片將散斑圖案投射出去，鏡頭調(diào)焦使投射到模型表面的散斑圖案是清晰可見的，圖2為投射光路示意圖。

圖2 投射光路示意圖

模型輪廓測(cè)量的前提是能夠獲得清晰的散斑圖像，在干擾光影響嚴(yán)重的情況下，選擇的光源需要有高亮度和抗干擾性?？紤]到垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有單位面積功率高、抗干擾性強(qiáng)、光波單一等優(yōu)點(diǎn)，最終選用激光器品牌為PRINCETON OPTRONICS，型號(hào)為Part#PCW-SMV-2-W0850，其輸出功率為2W，波長(zhǎng)為（850±10）nm。圖3為最終組裝成的投射器實(shí)物，與1角錢硬幣相比較，可見投射器體積很小。

圖3 投射器實(shí)物

1.3 數(shù)字圖像相關(guān)法的立體匹配

雙目立體視覺原理與人類雙目視覺的立體感知類似，通過兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一個(gè)物體得到兩個(gè)視角下的圖像，計(jì)算不同圖像同一視點(diǎn)的視差來獲取物體的三維形貌，在光學(xué)測(cè)量具有廣泛應(yīng)用。在這過程中，尋找兩幅圖像公共點(diǎn)即立體匹配是非常重要的一項(xiàng)工作，本文基于數(shù)字圖像相關(guān)法完成圖像匹配。

數(shù)字圖像相關(guān)法（digital image correlation，DIC）是通過對(duì)物體變形前后的兩幅圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算來求取物體位移及變形的方法。其中的相關(guān)計(jì)算就是求取兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即立體匹配。對(duì)于輪廓測(cè)量，對(duì)同一瞬態(tài)兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。如圖4所示，其中左側(cè)是相機(jī)1的圖像，右側(cè)是相機(jī)2的圖像。在相機(jī)1的圖像中，取待匹配點(diǎn)C為中心（2M+1）×（2M+1）（M為大于 0 的自然數(shù)，通常取值在[7，10]之間）大小的矩形圖像作為參考子圖像，即為選取的種子點(diǎn)。在相機(jī)2的圖像中，通過一定的搜索方法，按照預(yù)先定義的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，尋找與參考子圖像相似度最大的以C′為中心的目標(biāo)子圖像，則C′即為C點(diǎn)在圖像2中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

圖4 數(shù)字圖像法原理

相關(guān)系數(shù)是表征兩個(gè)圖像子區(qū)相似程度的數(shù)學(xué)度量，數(shù)字圖像相關(guān)法通過求取相關(guān)系數(shù)的極值來完成圖像匹配，本文采用一種引入線性光強(qiáng)變化模型的最小距離平方和系數(shù)[14]：

其中r0和r1用于補(bǔ)償由于光照和相機(jī)光圈差異引起的灰度線性變化，該相關(guān)系數(shù)具有良好的抗干擾能力，進(jìn)行圖像匹配時(shí)的誤匹配概率較小。

2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述理論研究，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)近紅外激光散斑投射測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示，圖6為觸發(fā)信號(hào)示意圖。首先由計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，激光器發(fā)光瞬間光線通過特制的散斑片將散斑圖案投射到模型表面，與此同時(shí)雙相機(jī)同步采集圖像，基于數(shù)字圖像相關(guān)法完成圖像匹配并最終解算出模型點(diǎn)云。激光器發(fā)出的紅外光的波長(zhǎng)為（850±10）nm，環(huán)境光及干擾光絕大多數(shù)都不屬于850 nm附近的光波，通過給相機(jī)鏡頭加裝850nm的窄帶濾光鏡，可以只允許850nm附近的光波進(jìn)入相機(jī)，從而有效消除環(huán)境光及干擾光對(duì)測(cè)量的影響。窄帶濾光鏡的中心波長(zhǎng)為（850±10）nm，峰值透過率T＞80%。

圖5 系統(tǒng)工作流程

圖6 觸發(fā)信號(hào)示意圖

圖7 測(cè)量頭實(shí)物

設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量幅面為200mm×150mm，相機(jī)選用dart紅外相機(jī)，分辨率為1 280×960，相元尺寸為3.75μm，相機(jī)間距為150 mm，測(cè)量距離為300 mm，設(shè)計(jì)并搭建相關(guān)硬件支架，測(cè)量頭實(shí)物如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 高亮度輪廓測(cè)量

使用高功率LED燈創(chuàng)造不同亮度條件，用照度儀檢測(cè)被測(cè)對(duì)象附近區(qū)域亮度。分別使用不加裝窄帶濾光鏡的相機(jī)和加裝窄帶濾光鏡的相機(jī)進(jìn)行圖像采集，最后用采集到的圖像進(jìn)行比對(duì)測(cè)試和點(diǎn)云解算。為防止反光對(duì)測(cè)量的影響，將金屬質(zhì)被測(cè)對(duì)象做顯影劑噴涂處理，由于激光波長(zhǎng)為不可見的紅外光，所以被測(cè)對(duì)象色澤對(duì)測(cè)量不產(chǎn)生影響。

圖8 未加濾鏡片采集到的圖像

圖9 加濾光鏡采集到的圖像

使用LED燈創(chuàng)造4個(gè)不同亮度，分別為23，716，3 350，20 400 lx，圖8為在不同亮度條件下，相機(jī)不加裝850nm窄帶濾光鏡采集到的圖像，圖9為加裝850nm窄帶濾光鏡采集得到的圖像。用采集到的圖像在相同的條件下進(jìn)行點(diǎn)云解算，得到的點(diǎn)云數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中圖10為在照度為20 400 lx時(shí)，給相機(jī)加裝濾光鏡的條件下解算得到的點(diǎn)云數(shù)量。

表1 點(diǎn)云解算數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖10 20400lx時(shí)解算得到的點(diǎn)云

由上述實(shí)驗(yàn)可知，在相機(jī)未加裝850nm窄帶濾光鏡時(shí)，隨著亮度的增加，散斑圖案逐漸不清晰，圖像灰度分布趨于全白（灰度值為255），在3350 lx時(shí)散斑特征明顯減少，解算得到的點(diǎn)云劇減，只有461個(gè)；在相機(jī)加裝濾光鏡時(shí)，無論在何種亮度條件下，散斑圖案總是清晰可辨的，圖像灰度分布跳動(dòng)大，在照度為20400lx時(shí)仍然可以解算出點(diǎn)云，且解算得到的點(diǎn)云數(shù)量與在正常條件下解算的大致相同。

3.2 誤差驗(yàn)證

為驗(yàn)證激光散斑投射進(jìn)行輪廓測(cè)量的可靠性，對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量溫度為23℃，標(biāo)準(zhǔn)直徑為99.998 mm，用激光散斑投射的方法進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，將每次解算得到的點(diǎn)云導(dǎo)入到Geomagic中進(jìn)行球體擬合，并記錄擬合結(jié)果。

圖 11（a）為標(biāo)準(zhǔn)球，圖 11（b）為采集到的散斑圖像，圖11（c）為球體擬合結(jié)果，表2為5次測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可知，5次擬合球體直徑的平均值為99.974 mm，相對(duì)偏差為0.0384%，測(cè)量的誤差可以滿足一般的工業(yè)要求。值得注意的是，采用數(shù)字圖像相關(guān)法匹配是一種區(qū)域匹配方法，它適用于模型表面光滑平整的情況，對(duì)于表面褶皺、起伏變化較多的模型，在進(jìn)行圖像匹配時(shí)應(yīng)選取較小的參考子圖形或者選用更為合適的匹配方法。

4 結(jié)束語

本文以數(shù)字圖像相關(guān)法作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了近紅外激光散斑投射測(cè)量系統(tǒng)，通過給相機(jī)加裝窄帶濾光鏡的方法實(shí)現(xiàn)了高亮度條件下的輪廓測(cè)量。激光器體積小，便使投射器及測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、便攜的優(yōu)點(diǎn)，此外由于采用數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行圖像匹配時(shí)只需采集一幀圖像，所以測(cè)量速度也比較快。采用該方法有望實(shí)現(xiàn)在野外或現(xiàn)場(chǎng)等光照條件復(fù)雜情況下的模型輪廓測(cè)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值。但是，數(shù)字圖像相關(guān)法是一種區(qū)域匹配方法，當(dāng)

圖11 標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量

模型表面曲率變化較大時(shí)匹配準(zhǔn)確度可能會(huì)降低，下一步要繼續(xù)對(duì)高效、高準(zhǔn)確度的圖像匹配方法展開研究。

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（編輯：商丹丹）

Profile measurement of near infrared laser speckle projection in high brightness

LIANG Jin， LIANG Yu， ZHANG Hengwei， XU Jinlan， MENG Fanchang， YOU Wei， LIU Liejin
（School of Mechanical Engineering，Xi'an Jiaotong University，State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi'an 710049，China）

In order to accomplish the profile measurement of a model in the condition of high brightness，a random vectorized speckle pattern should be generated on a computer first and then it will be made into a speckle piece as a speckle reflection template with a laser engraving technology.The laser speckle projector will be made by taking a VCSEL laser（wavelength is 850 nm） as the light source of the speckle projection.Under the condition of high brightness， the narrowband filter is installed to realize the clear acquisition of speckle image， the stereo matching of image will be completed based on the digital image correlation method and finally the model point will be calculated.Experiments show that under the condition of 20 400 lx，the method can still measure the profile of the model and the relative deviation of the test results of a standard ball is 0.038 4%.The study shows that using the near infrared laser as the light source and equipping narrowband filter to the camera can reduce the interference effectively and the precise model contour measurement can be realized under the condition of high brightness.

profile measurement； digital image correlation method； speckle； near infrared laser

A

1674-5124（2017）11-0017-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.004

2016-12-29；

2017-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51675404，51421004）

梁 晉（1968-），男，河南鄭州市人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺。