[发明专利]一种高反光表面三维视觉测量系统及方法

说明书

一种高反光表面三维视觉测量系统及方法，包括：建立投影仪光强与相机成像灰度之间的模型，投影均匀的饱和灰度图像，在高、低两次曝光时间下采集图像，通过对饱和像素标记，获得物体表面的高反光区域在相机图像中的成像区域，并计算使其成像不发生饱和的低灰度投影强度；进行相机像素绝对相位判断，获得投影图像中每个待调整像素对应的一个或多个相机像素，计算投影像素灰度与其对应的相机像素平均灰度，构成灰度匹配对；将匹配好的投影像素灰度与相机像素灰度作为样本，拟合投影强度模型参数；根据投影强度模型计算最佳投影强度，生成自适应正弦图像；投影仪投影自适应正弦图像，工业相机采集图像，多频外差解相法解相，根据条纹投影轮廓术视觉测量模型，获得物体三维形貌。

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，特别涉及一种高反光表面三维视觉测量系统及方法。

背景技术

三维视觉测量技术能够高精度地获得物体表面的三维形貌信息，被广泛应用于物体表面重构、缺陷检测、逆向工程等领域。其中，航空、航天、船舶、能源动力等国家重大装备工程中各种金属零件，如：水轮机叶片、飞机、轮船和汽车的外壳等高反光工件表面，对精确三维视觉测量带来挑战。

目前对高反光表面三维形貌检测技术主要包括两种：接触式检测和非接触式检测。三坐标测量机作为一种常用的接触式检测方法，具有操作复杂、效率低下、容易损伤被测件表面等缺点。非接触式检测方法主要通过对高反光表面喷涂漫反射材料来实现视觉测量，但喷涂粉末的厚度及均匀性会为测量带来误差。

随着图像处理和计算机技术的快速发展，高反光表面三维视觉测量在三维重构领域取得了广泛的应用。冯维等人在专利号为201710689618.7的发明专利“一种适用于强反射表面的三维扫描测量装置及方法”中采用一种基于DMD相机的三维扫描测量装置，基于四步相移法依次投射不同相位的正弦光栅图案；接着，利用DMD相机实现对入射光线的自适应高动态范围成像，获得清晰的待测量图像；最后，利用基于光栅投影的相位法实现三维测量。刘凯等人在专利号201810739037.4的发明专利“高反光对象表面的结构光三维成像方法及系统”中提出了一种高反光物体表面的结构光三维成像方法，该方法向被测物体表面投影二值相移编码图案，根据反射的图像生成不同光照强度下的多个调制图片组，按光照强度降序排列，确定饱和区域，获取饱和像素点及替换像素点并计算相位，用替换像素点的相位替代饱和像素点的相位，得到三维图像。葛继等人在专利号2020101822244的发明专利“高反光表面工件的三维高精度视觉测量方法”提出了包括设定结构光投射亮度值区间，投射相移光栅图案的方法，通过图像融合方法，重构出精确的待检测物体三维点云图。虽然上述方法能获得高反光表面的三维特征，但存在系统结构复杂，或实验过程复杂的问题。

对于基于自适应条纹投影的高反光表面三维测量系统而言，其难点在于如何获得高反光区域成像灰度与投影强度之间的关系，及如何准确确定投影图像的调整区域及调整值。王柳等人在论文《基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量》中提出了一种基于自适应条纹投影的三维测量方法，该方法向待测物体表面投射较高灰度级的条纹图，判断并标记过度曝光点。降低投射强度后通过非线性最小二乘法拟合来确定每个饱和像素点最适合的最大输入灰度，用重新生成的自适应条纹图来采集图像并进行相位计算和三维形貌恢复。但该方法的低灰度值通过经验获取，存在一定误差。李韶旭在论文《高动态范围光栅投影三维测量技术研究》中提出了一种基于二分法的自适应光栅投影方法，该方法提出以二分法查找最佳灰度值来替代相机-投影仪灰度响应曲线的求取。然而，该方法计算量大，处理速度慢，实验过程复杂，无法满足实际的测量需求。冯维等人在论文《基于自适应条纹的高反光表面三维面形测量方法》中提出了一种于图像融合和插值预测的自适应条纹投影方法。该方法首先基于多幅掩模图像融合求取了最佳投影灰度值所需的饱和阈值，并结合插值预测查找算法求得了最佳投影灰度值；然后通过降低整体投影强度，在不饱和情况下进行了坐标匹配，最终生成自适应条纹；利用外差式多频相移法进行相位解算和三维面形重构。但该方法的在进行坐标匹配过程中忽略了分辨率不同带来的量化误差，生成的自适应图像不准确，且通过融合的方法过程较繁琐。