基于相移輪廓術(shù)快速三維檢測(cè)系統(tǒng)研究

王建興

（閩江學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 福建省福州市 350108）

三維檢測(cè)技術(shù)主要分為接觸式檢測(cè)和非接觸檢測(cè)兩大類[1]。在工業(yè)上，目前接觸式檢測(cè)方法漸漸被非接觸式檢測(cè)技術(shù)淘汰。光學(xué)三維檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)主要是通過(guò)光線照射到物體表面，然后通過(guò)漫反射和反射得到物體的表面信息的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)。光學(xué)三維檢測(cè)技術(shù)包括：立體視覺(jué)法、飛行時(shí)間法、莫爾條紋法、傅里葉變換輪廓術(shù)和相移輪廓術(shù)等。

相移輪廓術(shù)的原理是通過(guò)計(jì)算多張以上背景的連續(xù)相位與物體的連續(xù)相位之間的差值，然后通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)再計(jì)算出物體的高度信息。該方法在是通過(guò)計(jì)算每一個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)信息再去轉(zhuǎn)化為相位信息，因此不會(huì)受到背景光的影響，從而能解決高反光的問(wèn)題。

本文應(yīng)用HALCON 算子來(lái)進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)。HALCON 包含了多達(dá)1400 個(gè)圖像處理算子，其中包括了數(shù)學(xué)與幾何變換、濾波、形態(tài)學(xué)計(jì)算和色彩分析、分類、辨識(shí)、校正、形狀搜索等等基本的幾何圖像計(jì)算功能[2]。

1 基于相移輪廓術(shù)的三維檢測(cè)的原理

本文采用交叉光軸法去搭建測(cè)量系統(tǒng)。如圖1 所示。

相移術(shù)根據(jù)拍攝N 幀光柵圖像稱為N 步相移法，本系統(tǒng)采用四步相移法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)投影4 幀圖片，對(duì)應(yīng)的δ 為π/2。則φ(x,y)計(jì)算如式2 所示，該方法在檢測(cè)速度上不遜于三步相移法，且相應(yīng)的提高了準(zhǔn)確性。

因?yàn)橄辔恢郸?x,y)是通過(guò)反正切函數(shù)計(jì)算得到的，相位值是被包裹在(-π,π)區(qū)間中，需要進(jìn)行相位展開。計(jì)算的公式為，左邊的表示是k 點(diǎn)展開之后的相位信息，右邊的代表的是k 點(diǎn)的包裹相位信息，而nk則表示的是k 點(diǎn)在包裹相位的相位級(jí)次信息。 次級(jí)的nk信息一般采用鄰域查找法[1]，即比較nk與nk-1之間像素的相位差，如果該相位差的值大于π，則次級(jí)的值減去1；反之，若相位差的值小于-π，則該次級(jí)的值加1。設(shè)k 點(diǎn)相位次級(jí)為nk，k+1 點(diǎn)的相位次級(jí)為nk+1，它們之間有如下的關(guān)系：

圖1：相移法檢測(cè)原理圖

圖2：軟件流程

至此得到了所有的未知量，只要將已知量和未知量都代入計(jì)算，求得物體的高度信息。但是由于相機(jī)的畸變等硬件方面的誤差，還有各個(gè)部件擺放位置不夠精確等因素，可能會(huì)導(dǎo)致最后得到的結(jié)果誤差較大，所以還需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，來(lái)形成一個(gè)較為準(zhǔn)確而真實(shí)的高度分布結(jié)果。

2 基于HALCON的相移輪廓術(shù)快速三維檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 軟硬件系統(tǒng)

圖3：被調(diào)制后的狐型面具

圖4：光柵背景圖

圖5：縱向包裹相位圖

圖6：縱向解包后的相位圖

本文的軟件系統(tǒng)主要由MATLAB 生成光柵圖像、光柵的投影、圖像的采集、圖像的預(yù)處理、圖像包裹相位的獲取、圖像連續(xù)相位的獲取、求解出相位差、相似三角形對(duì)比、高度信息的獲取等九個(gè)部分組成，結(jié)合HALCON 進(jìn)行快速相機(jī)的標(biāo)定，然后用MATLAB計(jì)算出最終的結(jié)果。具體的步驟流程如圖2 所示。

本實(shí)驗(yàn)搭建的檢測(cè)系統(tǒng)的硬件由一臺(tái)數(shù)字式投影儀、一個(gè)CCD 相機(jī)及鏡頭、一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)測(cè)量模型和一塊標(biāo)定板組成。投影儀型號(hào)為L(zhǎng)G HW300G - JE，分辨率為1200*800，亮度300 流明。通過(guò)投影儀將在計(jì)算中通過(guò)MATLAB 編程生成的正弦光柵圖像投影到被測(cè)物體上。CCD 相機(jī)通過(guò)USB3.0 與電腦連接去采集圖像。CCD 相機(jī)型號(hào)為MER-132-30UC，接口是USB3.0，分辨率1292"964，像素尺寸3.75um，全分辨率最大幀率30 幀每秒，支持GENICAM 接口，可以直接連接HALCON 軟件，是一款適用于工業(yè)檢測(cè)的高性價(jià)的相機(jī)。

2.2 圖像的采集和預(yù)處理

主要步驟如下：

（1）調(diào)用open_framegrabber 算子去打開型號(hào)為MER-132-UC的CCD 相機(jī)。

（2）接著調(diào)用grab_image_start 算子去獲取句柄。

（3）然后調(diào)用grab_image_async 獲取句柄中的圖像。

（4）使用rgb1_to_gray 算子把采集到的圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像。

（5）使用gen_rectangle1 算子畫出一個(gè)ROI。

（6）配合reduce_domain 算子切割ROI，排除其他干擾。

（7）調(diào)用write_image 算子把處理好的圖像保存在計(jì)算機(jī)中。

（8）最后調(diào)用close_framegrabber 算子關(guān)閉計(jì)算機(jī)對(duì)相機(jī)的連接。

拍攝后處理好的4 幅手模型的圖像。如圖3 所示。

使用相同的方式去拍攝4 幅背景圖像。如圖4 所示。

2.3 求解出包裹相位和解包裹

打開MATLAB 軟件，然后在編輯器內(nèi)使用如下步驟：

（1）使用imread 函數(shù)讀入4 幀背景圖像，并保存在變量中。

（2）使用imresize 函數(shù)對(duì)讀入的圖像進(jìn)行雙線性插值，入?yún)閎ilinear。

（3）使用double 函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為雙精度型數(shù)據(jù)，并且使用size 函數(shù)獲取圖像的大小M 和N。

（4）使用atan2 函數(shù)反正切函數(shù)將計(jì)算出背景的包裹相位。

（5）使用unwrap 函數(shù)先對(duì)物體進(jìn)行列解卷，然后再將得到的結(jié)果進(jìn)行行解卷，最后得到背景的連續(xù)相位數(shù)據(jù)。

重復(fù)以上步驟，對(duì)物體進(jìn)行連續(xù)相位的求解得出相位展開。如圖5 和圖6 所示為包裹相位與解包后的相位對(duì)比：

最后使用解包裹后的圖像相位矩陣矩陣減去解包裹后的背景圖像相位矩陣，得到相位差矩陣。接著使用相似三角形原理，求解出物體的高度信息。加上平面二維信息，得到空間點(diǎn)云坐標(biāo)，應(yīng)用距離公式計(jì)算出空間尺寸，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

3 結(jié)論

本文研究了基于相移輪廓術(shù)的三維檢測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)探討了四步相移法的原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。對(duì)高反光的物體進(jìn)行了檢測(cè)，在檢測(cè)的精度和速度上都達(dá)到了比較理想的結(jié)果，證明了使用HALCON 進(jìn)行標(biāo)定結(jié)合光柵投影的三維檢測(cè)方法的可行性和有效性，在各種工業(yè)檢測(cè)上有著很廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

但是本系統(tǒng)仍舊存在一些不足之處。本系統(tǒng)進(jìn)行多次不同環(huán)境下的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)背景全黑的情況下，只通過(guò)投影儀投影的光柵，經(jīng)相機(jī)采集后的圖像會(huì)較為清晰，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為理想。雖然說(shuō)相位輪廓術(shù)通過(guò)相減的方式去處理圖像信息，本身不會(huì)受環(huán)境光的影響，但是因?yàn)闊o(wú)論是投影光還是自然光投射到物體上后，會(huì)在物體邊緣產(chǎn)生陰影，這一部分陰影會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成誤差，目前只能通過(guò)背景全黑的情況下去解決，解決的手段過(guò)于單一。