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【自有技术大讲堂】结构光三维测量技术简介

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目前三(san)维测量(liang)(liang)(liang)(liang)技术种类(lei)繁多(duo),例(li)如双目/多(duo)目视觉法(fa)、TOF法(fa)、散斑法(fa)、结(jie)构光(guang)等等,不同的(de)(de)方(fang)法(fa)有着各自不同的(de)(de)应(ying)用(yong)场(chang)景(jing)和(he)范围。对于工业的(de)(de)产品(pin)测量(liang)(liang)(liang)(liang)、识别,检测来(lai)说,结(jie)构光(guang)方(fang)法(fa)是目前较为主流的(de)(de)方(fang)法(fa)。结(jie)构光(guang)法(fa)主要分为点、线、面(mian)(mian)三(san)类(lei)测量(liang)(liang)(liang)(liang)结(jie)构,本文主要介绍面(mian)(mian)类(lei)测量(liang)(liang)(liang)(liang)结(jie)构中的(de)(de)投(tou)(tou)影(ying)(ying)条(tiao)(tiao)纹(wen)法(fa)。投(tou)(tou)影(ying)(ying)条(tiao)(tiao)纹(wen)法(fa)是将光(guang)栅(zha)投(tou)(tou)影(ying)(ying)于物体表(biao)面(mian)(mian), 在其表(biao)面(mian)(mian)上形(xing)成受被测物体表(biao)面(mian)(mian)形(xing)状调(diao)制(zhi)的(de)(de)变形(xing)光(guang)栅(zha)条(tiao)(tiao)纹(wen)图(tu)像(xiang),并使用(yong)摄像(xiang)机拍摄该条(tiao)(tiao)纹(wen)图(tu)像(xiang)。

 

 

被(bei)测(ce)物(wu)表(biao)(biao)面形状(zhuang)与投影系统及(ji)摄(she)像(xiang)(xiang)机之(zhi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)相对姿态决(jue)定了采(cai)集图像(xiang)(xiang)中条纹(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)变形程度。直观上, 条纹(wen)(wen)(wen)在法(fa)线方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)偏(pian)移与物(wu)体(ti)表(biao)(biao)面深度成正比(bi)例, 条纹(wen)(wen)(wen)扭(niu)曲表(biao)(biao)示物(wu)体(ti)平(ping)面的(de)(de)(de)(de)变化,不连续表(biao)(biao)示物(wu)体(ti)表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)物(wu)理突变或间(jian)隙(xi),通过分析变形的(de)(de)(de)(de)条纹(wen)(wen)(wen)图像(xiang)(xiang)可(ke)得(de)到(dao)物(wu)体(ti)表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)三(san)(san)维形状(zhuang)数(shu)据。投影条纹(wen)(wen)(wen)法(fa)具有(you)测(ce)量(liang)速度快、测(ce)量(liang)精(jing)度高、易自动化、柔性好(hao)、全场测(ce)量(liang)的(de)(de)(de)(de)特点,是国内外三(san)(san)维表(biao)(biao)面形状(zhuang)测(ce)量(liang)技术研究发(fa)展的(de)(de)(de)(de)重点。但也具有(you)相应(ying)的(de)(de)(de)(de)不足之(zhi)处:抗振动性能较差,无法(fa)准(zhun)确的(de)(de)(de)(de)测(ce)量(liang)连续运动的(de)(de)(de)(de)物(wu)体(ti);测(ce)量(liang)精(jing)度对投影仪、相机的(de)(de)(de)(de)环(huan)境变化敏感(gan);实时性相对较差。

 

 

 

美(mei)国Cyber Optics公司(si)推出的(de)3D AOI检测(ce)设备,其原理就是采用光栅条纹投(tou)影(ying)(ying)进行3D检测(ce)。其检测(ce)方式是在PCB的(de)正上方放置一个(ge)垂直投(tou)影(ying)(ying)的(de)投(tou)影(ying)(ying)仪(yi),并从前后左右四个(ge)方向(xiang)获得被PCB调制后的(de)结构(gou)光条纹。该种(zhong)布局(ju)方式可(ke)以获取器件遮挡信(xin)息,能生成较为完整的(de)三维测(ce)量模型。

 

Koh Young公司(si)生产的(de)Zenith UHS也是采用光栅投(tou)影(ying)进行3D检(jian)测(ce)(ce)的(de)设备,能够(gou)以更快的(de)速度(du)测(ce)(ce)量(liang)各种元件缺陷,且不影(ying)响(xiang)检(jian)测(ce)(ce)精度(du)和可(ke)重复性。其检(jian)测(ce)(ce)视场为42 mm,检(jian)测(ce)(ce)最(zui)大高度(du)为10 mm时(shi),成像分辨率(lv)可(ke)达(da)15 μm,检(jian)测(ce)(ce)速度(du)为0.69 s/FOV。Zenith Alpha结合了(le)人(ren)工智能技(ji)术,不仅提高了(le)检(jian)测(ce)(ce)速度(du),也增(zeng)大了(le)PCB的(de)检(jian)测(ce)(ce)高度(du),并(bing)且克服(fu)了(le)超细间距和焊点多重反(fan)射带来的(de)检(jian)测(ce)(ce)难题。

 

 

在这类测量方法中,产生光栅投影(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)方式有多种,DLP投影(ying)是(shi)被(bei)广泛(fan)采用的(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)构方式。DLP是(shi)一(yi)种数(shu)字投影(ying)结(jie)构器件(jian),可(ke)以(yi)产生一(yi)组光强(qiang)呈正旋(xuan)分(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)光栅图(tu)像。DLP的(de)(de)(de)(de)(de)核心部(bu)件(jian)是(shi)DMD芯片。在DMD芯片中,微反(fan)射(she)(she)(she)镜(jing)是(shi)其最小的(de)(de)(de)(de)(de)工作单位,也是(shi)影(ying)响其性能的(de)(de)(de)(de)(de)关键(jian)。微反(fan)射(she)(she)(she)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)体积非常小,但(dan)是(shi)依然拥有不同(tong)于液晶的(de)(de)(de)(de)(de)复杂机械结(jie)构——每块微反(fan)射(she)(she)(she)镜(jing)都有独立的(de)(de)(de)(de)(de)支撑架,并围绕铰接斜(xie)轴进行+/-12°进行的(de)(de)(de)(de)(de)偏转。通过控制每块反(fan)射(she)(she)(she)镜(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)偏转角度,就(jiu)可(ke)以(yi)投射(she)(she)(she)出(chu)需要的(de)(de)(de)(de)(de)光栅图(tu)案。

 

 

采(cai)集到多组光(guang)(guang)栅条(tiao)纹(wen)(wen)后需要(yao)提取其相位继而得到待测物表面信息,根据不(bu)(bu)同(tong)的光(guang)(guang)栅条(tiao)纹(wen)(wen)投射方案可(ke)以选(xuan)择不(bu)(bu)同(tong)的相位解包方法。较为常(chang)用(yong)的投射方案是在水(shui)平方向采(cai)集12幅(fu)光(guang)(guang)栅条(tiao)纹(wen)(wen)图像(xiang)(xiang),3组不(bu)(bu)同(tong)频(pin)率的条(tiao)纹(wen)(wen),每(mei)组4幅(fu)不(bu)(bu)同(tong)相移的图像(xiang)(xiang);竖直(zhi)方向采(cai)集12幅(fu)光(guang)(guang)栅条(tiao)纹(wen)(wen)图像(xiang)(xiang),其中不(bu)(bu)同(tong)频(pin)率的有(you)3组,每(mei)组4幅(fu)不(bu)(bu)同(tong)相移的图像(xiang)(xiang)。相机采(cai)集到的光(guang)(guang)栅图像(xiang)(xiang)灰度分(fen)布为:

 

其中,(u,v)表示(shi)投(tou)影面投(tou)影像(xiang)素单元的坐标,I(u,v)为(wei)(u,v)点的灰度值,a和(he)b分别为正弦(xian)光(guang)栅的光(guang)强背景(jing)值和(he)调制光(guang)强值,θ(u,v)为I(u,v)对应(ying)的光栅相位,Ø为待求相位主值,a为相(xiang)位(wei)位(wei)移。 分(fen)别通过12幅水平条(tiao)纹光栅(zha)图像计(ji)算出3幅水平相(xiang)位(wei)主值图像,12幅竖直(zhi)条(tiao)纹光栅(zha)图像计(ji)算出3幅竖直(zhi)相(xiang)位(wei)主值图像。使用(yong)相(xiang)位(wei)解包方法将求解出的(de)相(xiang)位(wei)信息展开,就可(ke)以得到(dao)被(bei)测(ce)物体的(de)三维信息。

 

参考文献

[1] 李(li)中伟. 基于数字光栅投影(ying)的结构光三维测(ce)量(liang)技(ji)术与系统研究[D].华中科技(ji)大学,2009.

[2]三维成像技术(shu)的(de)5种技术(shu)流派. 光电(dian)汇.

[3] Guerrouj. [数字条纹投影技术基础(chu)2]非接触(chu)光学三维(wei)测量技术综(zong)述.csdn.

2021年10月(yue)27日(ri) 09:42