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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)技术种类繁多(duo),例如(ru)双目/多(duo)目视觉法(fa)(fa)(fa)、TOF法(fa)(fa)(fa)、散斑法(fa)(fa)(fa)、结(jie)构光(guang)等等,不同(tong)的方(fang)法(fa)(fa)(fa)有(you)着各自不同(tong)的应用场景(jing)和范围。对于(yu)工业(ye)的产(chan)品测量(liang)、识别,检(jian)测来说,结(jie)构光(guang)方(fang)法(fa)(fa)(fa)是目前较为主(zhu)流的方(fang)法(fa)(fa)(fa)。结(jie)构光(guang)法(fa)(fa)(fa)主(zhu)要分为点(dian)、线(xian)、面(mian)三(san)类测量(liang)结(jie)构,本(ben)文主(zhu)要介绍面(mian)类测量(liang)结(jie)构中(zhong)的投(tou)影条纹法(fa)(fa)(fa)。投(tou)影条纹法(fa)(fa)(fa)是将光(guang)栅(zha)(zha)投(tou)影于(yu)物体(ti)(ti)表面(mian), 在其表面(mian)上(shang)形成受被(bei)测物体(ti)(ti)表面(mian)形状调(diao)制(zhi)的变形光(guang)栅(zha)(zha)条纹图(tu)像,并(bing)使用摄像机(ji)拍摄该条纹图(tu)像。

 

 

被测(ce)(ce)(ce)(ce)物表(biao)(biao)(biao)面形(xing)状(zhuang)与(yu)投影(ying)系统及摄像(xiang)机之间(jian)(jian)的(de)(de)(de)相对(dui)(dui)姿态决定(ding)了(le)采集图像(xiang)中条(tiao)纹(wen)的(de)(de)(de)变(bian)形(xing)程(cheng)度(du)。直观上, 条(tiao)纹(wen)在法(fa)(fa)线方向的(de)(de)(de)偏移与(yu)物体表(biao)(biao)(biao)面深(shen)度(du)成正(zheng)比例(li), 条(tiao)纹(wen)扭曲表(biao)(biao)(biao)示物体平面的(de)(de)(de)变(bian)化(hua)(hua)(hua),不(bu)连续(xu)表(biao)(biao)(biao)示物体表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)(de)物理突变(bian)或(huo)间(jian)(jian)隙,通过(guo)分(fen)析变(bian)形(xing)的(de)(de)(de)条(tiao)纹(wen)图像(xiang)可得到(dao)物体表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)(de)三维形(xing)状(zhuang)数(shu)据。投影(ying)条(tiao)纹(wen)法(fa)(fa)具(ju)有(you)测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)速度(du)快(kuai)、测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)精度(du)高、易自动化(hua)(hua)(hua)、柔性好(hao)、全场测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)的(de)(de)(de)特(te)点(dian),是国(guo)内外(wai)三维表(biao)(biao)(biao)面形(xing)状(zhuang)测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)技术研究发(fa)展的(de)(de)(de)重(zhong)点(dian)。但也具(ju)有(you)相应的(de)(de)(de)不(bu)足(zu)之处:抗振动性能较差,无法(fa)(fa)准确(que)的(de)(de)(de)测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)连续(xu)运(yun)动的(de)(de)(de)物体;测(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)精度(du)对(dui)(dui)投影(ying)仪、相机的(de)(de)(de)环境变(bian)化(hua)(hua)(hua)敏(min)感;实时性相对(dui)(dui)较差。

 

 

 

美国Cyber Optics公司推(tui)出的(de)3D AOI检(jian)测(ce)设(she)备,其原(yuan)理就是(shi)采用光栅条(tiao)纹投(tou)(tou)影进行(xing)3D检(jian)测(ce)。其检(jian)测(ce)方(fang)式(shi)是(shi)在(zai)PCB的(de)正上方(fang)放置一个(ge)垂直投(tou)(tou)影的(de)投(tou)(tou)影仪(yi),并(bing)从前后左右四个(ge)方(fang)向获(huo)得被PCB调制后的(de)结构光条(tiao)纹。该种布局方(fang)式(shi)可以获(huo)取器件遮挡信息,能生(sheng)成较为完整(zheng)的(de)三(san)维(wei)测(ce)量模型。

 

Koh Young公司生产的(de)Zenith UHS也(ye)是采用光栅投影进行3D检测(ce)(ce)的(de)设备,能(neng)够以更快的(de)速(su)度(du)测(ce)(ce)量各种元件缺陷,且不影响检测(ce)(ce)精度(du)和(he)可重(zhong)复性。其(qi)检测(ce)(ce)视(shi)场为(wei)42 mm,检测(ce)(ce)最(zui)大高(gao)度(du)为(wei)10 mm时,成像分辨(bian)率可达(da)15 μm,检测(ce)(ce)速(su)度(du)为(wei)0.69 s/FOV。Zenith Alpha结合了人工智能(neng)技术,不仅(jin)提高(gao)了检测(ce)(ce)速(su)度(du),也(ye)增大了PCB的(de)检测(ce)(ce)高(gao)度(du),并且克服(fu)了超细(xi)间(jian)距和(he)焊点多重(zhong)反射带来的(de)检测(ce)(ce)难题。

 

 

在(zai)(zai)这类测(ce)量方(fang)法中(zhong),产生光栅(zha)投(tou)影(ying)(ying)的(de)(de)方(fang)式有(you)多种,DLP投(tou)影(ying)(ying)是(shi)被广泛(fan)采用(yong)的(de)(de)结构方(fang)式。DLP是(shi)一(yi)种数字(zi)投(tou)影(ying)(ying)结构器件,可(ke)以产生一(yi)组光强呈正(zheng)旋分布的(de)(de)光栅(zha)图像。DLP的(de)(de)核心部件是(shi)DMD芯片(pian)。在(zai)(zai)DMD芯片(pian)中(zhong),微(wei)反(fan)射(she)镜是(shi)其(qi)(qi)最小(xiao)的(de)(de)工作单位,也是(shi)影(ying)(ying)响其(qi)(qi)性能的(de)(de)关键(jian)。微(wei)反(fan)射(she)镜的(de)(de)体积(ji)非常小(xiao),但是(shi)依然拥有(you)不同于液晶的(de)(de)复杂机(ji)械结构——每(mei)块微(wei)反(fan)射(she)镜都有(you)独立的(de)(de)支(zhi)撑(cheng)架,并围绕铰接斜轴进(jin)行(xing)+/-12°进(jin)行(xing)的(de)(de)偏转(zhuan)。通过控制每(mei)块反(fan)射(she)镜的(de)(de)偏转(zhuan)角(jiao)度(du),就可(ke)以投(tou)射(she)出(chu)需要的(de)(de)光栅(zha)图案。

 

 

采集到多组光(guang)(guang)栅条(tiao)纹后需(xu)要提取其相位(wei)继而得到待测物表面(mian)信息(xi),根据不(bu)(bu)(bu)同的光(guang)(guang)栅条(tiao)纹投射(she)方案可以选择不(bu)(bu)(bu)同的相位(wei)解包方法。较为常用的投射(she)方案是在水平(ping)方向采集12幅(fu)光(guang)(guang)栅条(tiao)纹图(tu)像(xiang)(xiang),3组不(bu)(bu)(bu)同频率的条(tiao)纹,每组4幅(fu)不(bu)(bu)(bu)同相移的图(tu)像(xiang)(xiang);竖直方向采集12幅(fu)光(guang)(guang)栅条(tiao)纹图(tu)像(xiang)(xiang),其中不(bu)(bu)(bu)同频率的有3组,每组4幅(fu)不(bu)(bu)(bu)同相移的图(tu)像(xiang)(xiang)。相机采集到的光(guang)(guang)栅图(tu)像(xiang)(xiang)灰度分布(bu)为:

 

其(qi)中,(u,v)表(biao)示投影(ying)面(mian)投影(ying)像素单元的坐标(biao),I(u,v)为(u,v)点的灰(hui)度值,a和(he)(he)b分别为正弦光栅的(de)光强背景值和(he)(he)调制(zhi)光强值,θ(u,v)为I(u,v)对应的光栅相位(wei),Ø为待求(qiu)相位(wei)主值(zhi),a为相(xiang)位位移。 分别通过12幅(fu)水平条纹(wen)光(guang)栅(zha)图像计(ji)算出(chu)3幅(fu)水平相(xiang)位主值图像,12幅(fu)竖直(zhi)条纹(wen)光(guang)栅(zha)图像计(ji)算出(chu)3幅(fu)竖直(zhi)相(xiang)位主值图像。使用相(xiang)位解包方(fang)法将求解出(chu)的(de)相(xiang)位信息展开,就可以(yi)得到(dao)被测物体的(de)三(san)维(wei)信息。

 

参考文(wen)献(xian)

[1] 李中(zhong)伟. 基于数字光栅投(tou)影的(de)结构光三维测量技术(shu)与系统研(yan)究[D].华中(zhong)科(ke)技大学,2009.

[2]三维成像技(ji)术的5种技(ji)术流派. 光电汇(hui).

[3] Guerrouj. [数字条纹投影(ying)技术基础2]非接触(chu)光(guang)学三维测量技术综述(shu).csdn.

2021年10月27日 09:42