[发明专利]三维表面检测装置及三维表面检测方法

说明书

技术领域

本发明提供一种非接触三维检测装置及三维检测方法，用于检测汽车及其部件等物体的表面凹痕及伴随着较大的划痕而产生的三维形变等三维立体缺陷。 

背景技术

在汽车生产、汽车零部件循环再利用等领域，汽车车身表面的划痕、凹痕、涂装剥落等的检测是非常重要的。然而，现在诸如上述这些质量检测大都靠质量检查员的目测来进行。由于质量检查员业务水平的差异，检测出来的结果也参差不齐。另外，目测检测不仅工作量庞大，而且由于工作性质的重要，还会给检查员带来很大的精神负担。因此，人们期待着使用数字照相机或数字摄像机等数字摄像装置，去实现非接触、高速、高精度的物体表面检测。 

像汽车车身这样具有立体形状的物体的测量，可以使用三维图象测量的方法。三维图象测量可以分为被动测量法和能动测量法两大类。被动测量法的代表方法为双目视觉法，它使用2台照相机从不同的视角拍摄物体的照片、在照片上寻找对应点进行匹配、进而计算出其三维空间坐标。这种方法非常适用于测量物体的轮廓形状等有明显特征的部分，但不太适用于测量特征点稀少的部分或物体，如变化缓慢的曲面等。 

作为能动测量法的代表方法，我们可以举出结构光投影测量法。结构光投影测量法通过向被测物体投射结构光，人为地在被测物体表面制造了一些特征点，这样即便是像变化缓慢的曲面等等的特征点稀少的部分，也能够测量了。 

另外，相位移动测量法也广为人知。这种方法是向被测物体投射诸如正弦波那样的具有空间周期变化的结构光，然后移动结构光的空间相位、利用多张空间相位不同的反射光图像进行解析。例如，为了缩短基于结构光投影原理的三维图象测量方法的测量时间、提高测量精度，人们发明了专利文献1及2所记载的方法。专利文献1的方法的特征是，它使用了最优化强度调制结构光，只需要投影一次结构光便可以实现被测物体的三维图象测量，从而缩短了测量时间提高了测量精度。但是这种方法并不适用于汽车车身表面的测量，因为汽车车身的表面反射太强。 

专利文献2记载的方法的特征是，它使用密度更高的测量用结构光和基准线结构光，以实现更高精度的三维图象测量。但是它很难受用于具有亮点反射的表面发射较强的物体。也就是说，一般的基于结构光投影的三维图象测量方法，很难受用于像汽车车体那样的具有很强光泽的物体，亦即这种方法无法适用于表面镜面反射较强的物体。 

对于表面镜面反射强度较强的物体的测量，人们提出了专利文献3及4的方法。专利文献3提出了一种照明方法，使得照明光源所发出的光线不会直接照射到被测物体上，从而使得表面反射较强的物体的测量成为可能。另外，专利文献4提出了一种方法，它使用直线状的明暗结构光对被测物体进行投影，对其反射图像中的明暗结构光的分界线的特征进行解析，从而检测出物体表面的凹痕。它可以用于检测汽车车体表面的凹凸缺陷。 

上述引用的专利文献列表如下： 

专利文献1：日本，特开2006-145405号公报 

专利文献2：日本，特开2011-185872号公报 

专利文献3：日本，特开2010-185820号公报 

专利文献4：日本，特开2010-85165号公报 

发明内容

然而，上述专利文献3所提出的方法，由于使用的是两维图像处理技术，所以尽管它能够检测出汽车车体表面的伤痕等两维的缺陷，却无法检测出凹痕的深度等三维信息。另外，专利文献4提出的方法，由于它采用的是利用明暗结构光的边沿信息、使用两维图像解析的处理方法，所以尽管它可以检测出凹凸变形，却很难测量出凹痕的深度或凸起的高度。另外，专利文献4的方法，无法检测结构光的边沿以外的部分，测量的范围有限。 

为此，本发明的目的是提出一种用于检测表面镜面反射较强的被测物体的三维表面检测设备和三维表面检测方法，只使用简单的构造和较低的成本构成，便可以高速高精度地检测出物体表面的凹痕及伴随着较大划痕而产生的三维立体形变等三维缺陷。 

本发明提出的三位表面检测装置包括以下几个部分：拍摄被测对象物体的图像的照相装置；被做成曲面状并笼罩在被测物体周围的滤光薄膜；透过滤光薄膜向被测对象物体投射曲面结构光的曲面结构光投影单元，该曲面结构光的空间强度沿着滤光薄膜的曲面形成周期性的空间强度分布；以及对所拍摄到的图像进行解码处理将其曲面状强度分布变换为直线状分布，进而检测出物体表面的三维缺陷的缺陷检出单元。