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基于工业摄影与机器视觉的三维测量技术综述


发布时间:2010年1月18日 10时50分


1.3 基于工业摄影与机器视觉的三维测量技术综述
1.3.1 三维形貌与变形测量技术
光学三维形貌与变形测量技术经过近年来的快速发展,涌现出多种技术及方法。其中主要有:时间飞行法、全息干涉法、莫尔条纹法、结构光方法(点、线、面)、数字摄影测量法和数字图像相关法等,下面介绍几种常用的三维测量方法,并分析在这些方面的研究发展情况。
1)时间飞行法
飞行时间法(Time of Flight)基于三维形貌对激光束产生的时间调制。原理如图 1 3所示。一个激光脉冲信号从发射器发出,经待测物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径反向传回到接收器,检测光脉冲从发出到接收时刻之间的时间延迟,就可以计算出距离。结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个物体就可以得到三维形貌数据。
 
图 1 3 时间飞行法原理图
时间飞行法的典型分辨率约为1 mm。若采用亚皮秒激光脉冲和高时间分辨率的电子器件,深度分辨率可达亚毫米量级。采用时间相干的单光子计数法,测量lm距离,深度分辨率可达30 µm;另一种称之为飞行光全息技术的三维测量方法利用超短光脉冲结合数字重建和利特罗装置(Littrow Setup ),深度分辨率可达6.5 µm。这种方法的优点是不存在阴影和遮挡问题。但是要得到较高的距离测量精度,对信号处理系统的时间分辨率有极高的要求。
2)全息干涉法
全息干涉法测量技术利用光的相干性原理,如图 1 4所示,当两束相干性好的光束在被测物体表面某一点相遇时,其光波发生干涉,在形成的干涉条纹中反映了物体表面的形貌信息。记录这些条纹,并用再现光产生物光波的干涉条纹,测量出其相位差,再由相位信息转换为物体表面的形貌信息。
 
图 1 4 全息干涉法原理图
全息干涉法在20世纪70年代得到迅速发展,成为光学三维测量技术的一个重要分支。由于全息干涉法采用每毫米数千线的干板作为记录介质和物体的光波,干板曝光后需要暗室,化学处理十分繁琐,因此限制了它的应用范围。1967年,德国科学家Goodman提出了用数字方式记录和处理全息图像的数字全息概念,但限于当时数字图像记录设备及计算机性能的条件,不能很快实现。与此同时,英国科学家Butter和Leendertz,美国科学家Makovski研究成功用电视摄像机替代照相干板以及图像简单相减的一种类似全息干涉法测量位移场的装置。有赖于光电子、计算机技术的飞速发展,直到1994年德国人Schnars首先开始数字全息方法的实验研究,此后再该领域其他研究人员陆续发表了一些研究成果,完成了数字全息的起步阶段,但从总体上看,数字全息与其他研究方法相比尚有很大的发展空间。数字全息技术是利用CCD等数字光学记录器件取代传统光学全息中的记录介质来记录全息图,重建过程则在计算机中完成,因此数字全息不仅集成了传统全息的特点,而且还具有以下优点:无需干板化学处理过程,记录过程与处理过程大大简化,再现过程由计算机完成,可以实时进行图像的获取和处理,不仅提高了工作效率,还有助于测量的自动化;采用CCD记录图像时间仅几十毫秒,比干板曝光时间低两个数量级,因而测量系统的抗震性要求大大降低;数值重建既能得到重建光波场的强度分布,也能获取相位信息,对于数字全息干涉测量技术,可以精确测定亚条纹及的变形量,测量精度大大提高;数字全息可以免除光学系统的像差等非线性因素的影响。
由于相位的变化正比于光束的光程差,所以全息干涉法的测量分辨率可以小到光波的百分之一,但需要相干性好的激光光源和精确的干涉光路,其测量范围较小,在100µm以内。外差全息干涉法能得到很高的测量精度,但其代价是极慢的测量速度和价格昂贵的系统成本。准外差方法的测量精度比外差方法低一个数量级,但其光路简单,测量速度相对较快。全息干涉法主要应用于微小粒子检测、形貌分析、微小形变、微缺陷、微结构的检测,而其测量范围又决定了被测表面必须是平滑而缓变的。
3)莫尔条纹法
基于莫尔条纹测量原理的等高莫尔条纹测量技术作为光电三维形貌测量的重要技术,起源于二十世纪七十年代。1970年英国的D.M.Meadows等人和日本的H.Takasaki分别提出了应用一块光栅的照射型莫尔形貌法。1977年M.Idesawa等人提出了激光扫描型莫尔形貌。自此,莫尔形貌测量成为莫尔技术的一个重要领域。
莫尔形貌法的基本原理是用一块基准光栅,来检测由被测表面调制的影栅或象栅,进而由莫尔图案的分布情况推算出测件的表面形貌。从基本原理出发,提出了两类不同布局的莫尔等高(形貌)装置,其中一类是把基准光栅照射到被测物体表面,于是在物体表面上形成阴影光栅,然后透过整形光栅观察,这就是照射型莫尔。照射型莫尔形貌可称为阴影莫尔形貌,莫尔形貌条纹是由基准光栅和物体表面所调制的、带有物体相位信息的变形光栅叠加而成。照射型莫尔形貌的装置简单,廉价。被测物前必须放置一块基准光栅。被测物不大时是现实的,但物体很大时就要用大的光栅,加工困难。测量精度取决于基准光栅的栅距,但是制造大尺寸小栅距的光栅是困难的。由于光栅本身的衍射,特别是随着栅距的减小衍射效应就变得很大,很难获得较高的测量灵敏度。
另一类是投影型,它的投影侧类似于一只幻灯装置。用以在待测表面上产生试件光栅的变形象,而接收方则是一架照相机,它将空间象栅成象在基准光栅表面上,于是形成莫尔形貌图。投影型莫尔形貌的主要特点是,通过投影物镜的放大率来改变基准光栅的成像尺寸,适于测量较大物体的尺寸。对于小的物体,采用缩小投影,即可提高测量灵敏度又可控制衍射现象对测量的影响。莫尔形貌线摄影后再投影,在物体上可直接观测或把莫尔形貌线描绘出来。可方便确定物体基准点条纹的序号,并可以将变形光栅取出,通过二次曝光等处理候可以产生新的莫尔条纹计量方法。但装置相对于照射法来说比较复杂。由于使用透镜投影,因此光栅的节距受到透镜分辨率的限制。
目前莫尔形貌法主要应用于工业检测、人体轮廓检测。在工业检测方面主要应用于特形零件或特殊环境下的轮廓测量,比如热轧钢板在热状态下的平面性、飞机机翼及涡轮机叶片形状、单晶硅片的平面性、模特形貌、微小物体的形状等。这些待测物体大多难于用其他方法测量,有的因表面不允许接触而不能用触测法,有的由于全息法太灵敏而不适合。莫尔法则具有全场、非接触,以及灵敏度适中并可调节等特点,因此在工业技术的形貌测量方面引起了广泛的关注,但目前由于莫尔法的灵敏度较低些,因此在工业上的实际应用还不是很广泛。莫尔形貌法在人体检测方面取得了较好的效果,用于这些方面的莫尔等高图法的灵敏度只要毫米级就够了,由于莫尔法提供了简便、快速、无放射性危害的有效方法,目前主要用于骨科、胸外科、整形外科等方面。国外在二十世纪七八十年代进行了大量的研究,主要集中在美国、日本、英国、加拿大和俄罗斯等国的研究机构中。由于光源、图像获取手段和处理方法的限制造成这种方法在实际中测量精度低、重复性差、系统复杂,因此其研究结果并未得到广泛应用。国内研究工作主要在八九十年代进行的,清华大学精仪系、北京航空航天大学宇航学院、天津大学精仪系、航天部七○四所和中科院光电所等科研院所在从事相关实验室研究。
目前莫尔形貌测量存在的问题在于:首先,在三维曲面检测仅用了黑白条纹的中心线信息,测量数据小,并且受到光栅栅距的影响造成测量分辨率和精度较低,已不能满足机械行业各种精细加工检测的高精度要求;其次,计算机很难通过单幅面图像去自动判定被测曲面的凹凸,因此自动化程度不高;第三,受被测物曲率影响大,被测曲面曲率变化较大时,平缓处条纹太稀,陡坡处条纹堆积太密,无法分辨。因而可测曲面的最大深度和梯度的局限性较大。
4)结构光法
结构光法根据所采用投射光束的形状不同,又分为点光束照射的光学三角测量技术、线光束照射的光切测量方法及面光束照明下的空间光调制技术。
(1)点结构光
光学三角法测量技术是一种基本的三维测量方法。它的测量原理是基于传统的三角测量距离的方法,根据此原理设计的激光测头多用于改进型的三坐标测量机,以取代原有的接触式机械测头。通过这一改进使得三坐标测量机从接触式测量迈向了非接触式无损测量。但是这种方法测量范围受到限制,并且由于三坐标测量机的固有特性只能进行离散点的测量,而无法获取待测物体表面全场的形貌信息。虽然逐步被光切法及面结构光探测技术取代,但它仍是光切法及面结构光三维测量的基础。
(2)线结构光
光切法以激光逐点扫描法为基础,它采用激光线光源经柱面镜产生平面光照射在被测物上,在被测物表面上产生一条明亮的光带,通过CCD摄像机采集获得数字图像,经图像处理即得物体在该光切面上的二维轮廓信息,若进一步沿第三维步进测量,就可得到物体的三维形貌全貌,原理如图 1 5所示。
 
图 1 5 线结构光原理图
居琰等人运用该方法实现了脚型三维曲面测量,刘震亚等人通过采用Tsai的两步标定算法实现了不规则料堆的检测,张启灿等人利用频闪光源实现了光切法对旋转叶片的测量。在此基础上,又提出结构光编码的方法,编码方式包括颜色编码、M进制编码、位相编码等。Kai等人运用二进制编码并结合相移技术实现了轿车白车身三维尺寸的在线检测。但光切法仍然存在采样速度较慢等缺点,并且难以实现被测物与测量装置之间的相对旋转时的测量,不适应大型物体的三维检测。
(3)面结构光
面结构光技术是将一幅或者多幅二维图样投影到被测物体表面形成结构照明进行的,最简单的是将一系列光栅投影到待测物体表面,如所示。通过面阵探测器记录待测物体表面每个光栅的变化,并与参考平面上的光栅变化进行比较计算待测物体的高度信息。
 
图 1 6 投影光栅面结构光原理图
实际上,当光栅间隔减小到一定程度就与投影型莫尔条纹测量类似了,只是没有采用实物参考光栅进行解调,因此随着投影型三维形貌测量技术的发展,面结构光投影与莫尔条纹技术越来越融合在一起了。这就使得采用投影型连续变化的结构光场的三维测量技术成为当前的研究热点。目前由于条纹结构光三维测量应用领域非常广泛,己成为人们的研究热点。
总之,面结构光三维形貌测量技术是通过对强度均匀的平面二维光场分布进行结构化,并投影形成具有一定规律变化的三维空间光场,对待测物体进行照射并记录其表面光场的变化实现对待测物体高度信息的测量。面结构光场的特性直接决定着测量系统的性能,这也是当前面结构光场研究的重点之一。
5)数字摄影测量法
数字摄影测量系统如图 1 7所示,通过在物体的表面及其周围放置标志点,包括编码点和非编码点,然后从不同的角度和位置对物体进行拍摄,得到一定数量的照片,经过数字图像处理、标志点的定位、编码点的识别,可以得到编码点的编码以及标志点中心的图像坐标。利用这些结果,经过相对定向、绝对定向、三维重建、以及光束平差计算,最后加入标尺约束及温度补偿,可以得到标志点准确的三维坐标。
 
图 1 7 数字摄影测量系统示意图
国外对摄影测量技术的研究起步较早,因此相应的生产厂家和产品比较多,比较典型的有美国GSI公司的V-STARS系统、德国AICON 3D公司DPA-Pro系统、德国GOM公司的Tritop系统、加拿大EOS公司的PhotoModeler系统、挪威Metronor公司的Metronor系统等。工业摄影测量系统使用高分辨率数码相机,从多个角度拍摄预先布置的圆形参考点和带有编码的参考点,然后自动三维重建,得到工件表面参考点的三维坐标,精度可达0.1mm/m。这些系统已经大量应用于航空、航天、汽车、轮船等领域的工业检测以及逆向设计工作中。
数字摄影测量能在较短时间内准确地获得物体关键点的三维信息,从而实现物体的三维建模,尤其适用于大型复杂工件的三维检测,具有无接触、灵活、快速等优势,因此在机械零件测量、反求工程、虚拟现实等方面具有广泛的应用前景。
6)数字图像相关法
数字图像相关法(Digital Image Correlation Method, DICM)是一种光测力学变形测量方法。数字图像相关法又称为数字散斑相关(Digital Speckle Correlation Method, DSCM)。数字散斑相关方法是在上个世纪80年代初由日本I. Yamaguchi和美国South Carolina大学的Peter和Ranson等人同时独立提出的。I. Yamaguchi在研究物体小变形时,采用测量物体变形前后光强的互相关函数峰值来导出物体的位移。与此同时,Peter和Ranson则采用电视摄像机记录被测物体加载前后的激光散斑图,经模数转换得到数字灰度场,然后计算相关系数随试凑位移及其导数的变化过程,找出相关系数的极值而得到相应的变形。
数字图像相关法的基本原理是通过图像匹配的方法分析试件表面变形前后的散斑图像,来跟踪试件表面上几何点的运动得到位移场,在此基础上计算得到应变场。在数字图像相关法算法中,图像匹配时常用图像子区的相关性来表征不同图像上两个子区的相似程度,因此该图像子区常称为“相关窗”。
与其它光测力学变形测量方法相比,数字图像相关法对复杂环境的适应性更好,这是由数字图像相关法的原理和特性决定的。首先,数字图像相关法处理对象是数字化散斑图像。此处,散斑图像是指一类含随机斑点分布结构的图像,散斑指图像中的随机斑点结构。散斑可以由激光照在漫反射表面干涉产生(激光散斑);也可由特殊涂料(如玻璃微珠漆或喷漆等)喷涂在试件表面形成(人工散斑);甚至某些材料表面的花纹(如花岗岩等)也能直接构成散斑(天然散斑)。后两种散斑是数字图像相关法测量中最常见的。因此,数字图像相关法测量中散斑图像的获取可直接用白光照明。这一点克服了前面提到的以干涉为基础的其它光测方法的缺点,是数字图像相关法具有更好的环境适应性的最直接原因。其次,数字图像相关法归根结底是一种数字图像分析方法。此类方法的测量分辨率以成像系统的物面分辨率(指数字图像上1个像素代表的实际长度)表征,物面分辨率高则本身测量分辨率高;数字图像相关法的测量范围直接取决于成像系统的拍摄范围。因此,数字图像相关法测量分辨率和测量范围可以方便地调整。这是数字图像相关法对复杂测量环境和测量问题适应性更好的另一个原因。此外,数字图像相关法设备简单、实验准备快、数据处理自动化程度高,这些都使数字图像相关法的应用更方便,适应性更好。
事实上,数字图像相关法提出二十多年来,其理论和应用的发展非常迅速。正由于数字图像相关法上述的特点,目前,在超大和超小试件变形场测量、复杂材料变形测量和复杂环境变形测量方面,数字图像相关法具有很大的优势。随着计算机技术、图像采集设备和数字信号处理技术的发展,数字图像相关法的测量分辨率和精度大大提高,应用领域大大扩展:借助各种显微镜设备,数字图像相关法可实现细观及微观变形测量;利用高速动态摄影,数字图像相关法还可用于动态变形测量。


 

 
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西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
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