[发明专利]单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法

说明书

【技术领域】：

本发明属于光电非接触测量技术领域，具体涉及的一种单计算机系统控制的三维形貌光学测量系统，可用于柔性物体的三维物体表面形貌的自动测量。

【背景技术】：

物体表面三维形貌测量是计算机视觉研究的内容之一，在目标的自动尺寸测量，几何形态特征识别、物理与机械变化过程自动观测等场合具有重要应用，是现代非接触光电测量手段急需解决的基础问题。物体表面三维形貌测量问题的有效解决，在以三维形貌为特征的产品检测、安全检查、过程分析与记录等方面具有重要意义。

物体表面三维形貌检测可分为接触式和非接触式两类。

接触式表面形貌检测技术采用触针测量物体表面轮廓，该方法有如下难以克服的缺点：①由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降；②测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；③为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

非接触式的三维形貌检测技术可以避免接触式检测所遇到的困难。光学测量是非接触式测量技术中的一种常用技术，以其测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本低廉等优点在逆向工程、计算机辅助设计、数控加工、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。但早期的非接触式光学测量系统中的光学和电学部分是分别设计和使用的，测量的针对性比较强，不能作为统一的测量仪器使用。

传统的非接触式三维形貌检测技术，如结构法光投影，一般使用激光按事先设计的光强分布模式投影在特定区域。这种投影一般采用专门的设备进行控制，调整非常不便。另外，当投影结构光采用激光作为光源时，由于激光特有的干涉特性，投射光强分布会有散斑效应，对测量精度产生严重影响。因此，现在都采用非干涉光，即色光做结构光投影光源。投影仪是一种最常用的影像投影设备，可作为结构光投影。投影仪都有标准的工业视频Video和计算机视频驱动VGA接口，使用非常方便。普通的计算机只有一个视频驱动VGA接口，当使用计算机控制投影时，需要不同的计算机分别实现投影和测量，也就是说测量系统至少使用两台计算机，一台用于结构光投影，一台用于图像测量与测量结果显示，这给测量系统结构带来复杂性。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种单处理器控制的三维形貌光学测量系统及测量方法。

本发明提供的单处理器控制的三维形貌光学测量系统，主要由结构光投影、图像采集与处理和三维形貌测量结果显示三部分所组成，具体包括一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，该计算机一路连接显示器，另一路连接投影仪，同时，该计算机通过图像采集卡连接摄像装置。

本发明所述的三维形貌光学测量方法的具体过程是：

第一、选用一个带有双屏驱动显示适配器的计算机，将该计算机同时连接显示器和投影仪；

第二、将所述计算机与摄像装置连接；

第三、将所述投影仪光轴与探测参考平面法向成6°角，摄像装置的光轴与探测参考平面垂直，垂直距离为L，且两者放置在同一水平面上，两者间距离为d；

第四、建立起参考平面坐标(x，y)和光强分布I(x，y)间的映射关系；

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf₀x+φ₀(x，y))    (1)

其中：a(x，y)和b(x，y)和物体表面的吸收与反射有关，φ₀(x，y)是参考平面的初始相位。

第五、放入被测物体后，由摄像装置采集图像并传入计算机，从中得出物面上任意一点D的相位φ₁(x，y)；

第六、确定物面上任意一点D的变形光栅相对于参考光栅的相位差为：