基于相位测量偏折术的镜面物体三维测量 下载: 1470次
1 引言
目前,国内外学者针对现代制造业中广泛存在的镜面、类镜面光学三维测量,进行了大量研究,并提出了许多方法。相位测量偏折术是一种较好的镜面自由表面测量方法,其原理简单,成本低,动态测量范围大,能快速进行全场测量,适用于各种镜面物体的测量。
2000年,德国Erlangen-Nuremberg大学的Horneber等[1]提出相位测量偏折术概念,简单介绍了其基本原理,并进行了实验验证;2002年,Knauer等[2]进一步阐述了相位测量偏折术中的标定问题,2003年,其和该项目合作伙伴——3D-Shape GmbH公司研制了一台样机,并对精密的球面镜进行了测量,在一个较小的测量场得到了理想的测量结果[3];2009年至2011年,Richter[4]、Olesch等[5]针对相位测量偏折术测量镜面时的标定问题分别提出了测量系统标定新方法;2012年,Olesch等[6]提出一种新的反射镜面重构方法,使镜面重构不再依赖于假定的表面点,从而使镜面形貌测量更精确;同年,Faber等[7]系统讨论并解决了制约相位测量偏折术发展的两大问题,即无法在较大测量范围实现高精度测量和透明物体的背面虚假反射,进一步丰富了相位测量偏折术的理论体系[8]。
在国内,四川大学的苏显渝等[9]从2006年开始相关研究,先后开展主动条纹偏折术测透明物体波前、双目视觉相位测量偏折术[10]、基于结构光的光线追迹与波前重建[11]以及应用相位测量偏折术测量非球面镜[12]等研究,取得了一些成果,特别是在相位测量偏折术测量非球面镜方面提出了新方法,使得测量非球面时无需复杂的光学附件和标定,就能达到较高的精度,并具有较大的动态测量范围和强抗干扰性;上海大学的郭红卫等[10,13]针对相位测量偏折术中的相位不确定性、计算复杂性以及累积误差等问题,提出相应的解决方案。以上工作积累了应用相位测量偏折术实现镜面测量的知识成果,为进一步研究奠定了基础。
本文以相位测量偏折术为基本技术原理,构建了由LED平板显示器、被测镜面物体和CCD摄像机组成的测量系统,提出一种一般几何设置下测量几何模型及其系统的标定方法,以此实现镜面物体三维形貌的测量与重建。该方法可实现任意位置的标定和测量,无需精确控制测量器件在特定的几何位置上,灵活度、精度较高,通过对两个镜面物体的初步实验验证了该方法的可行性。
2 测量原理与系统构建
2.1 测量原理
相位测量偏折术的测量系统通常由标准条纹投射平面(本研究中采用LED平板显示器作为投射平面)、被测物体和CCD摄像机构成,如
2.2 测量系统坐标系
世界坐标系
2.3 测量系统各坐标系之间的变换关系
2.3.1 摄像机模型参数
摄像机标定是根据摄像机模型,由已知特征点的图像坐标和世界坐标求解摄像机的模型参数。摄像机需要标定的模型参数分为内部参数和外部参数[14-15],如
图 2. 测量系统的几何物理模型。(a)立体图;(b)左视图;(c)俯视图
Fig. 2. Geometric and physical model of measurement system. (a) Three-dimensional figure; (b) left view; (c) vertical view
表 1. 摄像机模型参数
Table 1. Parameters for camera model
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2.3.2 图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系
定义直角坐标系,每一像素的坐标(
式中
摄像机成像的几何关系如
由于摄像机可放置在测量系统中的任意位置,在系统中选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置,其可描述系统中任何物体的位置,该坐标系即为世界坐标系。摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可由旋转矩阵
式中
由(1)式和(2)式可推导出图像坐标系与世界坐标系之间的关系为
2.3.3 平面光源坐标系与世界坐标系之间的关系
若平面光源坐标系上点
式中
2.3.4 条纹相位与平面光源坐标系之间的关系
点
式中
2.4 相位与物面法矢的映射
要求解物面法矢,首先要确定入射和出射光线的矢量。假设LED平板显示器上点
式中
2.5 物面的重建方法
用方程
式中
3 测量系统的标定与测量过程
3.1 测量系统的标定
首先标定摄像机的内部参数,即确定摄像机的主点坐标(
摄像机与世界坐标系之间的参数标定,就是获得旋转矩阵
通过计算机在LED平板显示器上显示黑白棋盘格图像,将其投射到镜面的标定平板,再用CCD相机采集1幅图像,重复上述标定过程,得到坐标系
3.2 测量过程
通过测量原理和系统几何物理模型分析,在实际测量中拟采用以下测量步骤:将被测物体置于标定平台(
4 测量实验
根据测量系统的几何物理模型,搭建由电脑、图像采集卡、LED平板显示器、CCD摄像机、精密调整平台以及相配套的控制设备组成的测量系统。根据标定得到的测量系统的几何参数,参照3.2节的测量过程对凹面镜展开实际的测量。凹面镜直径为50 mm,球面半径为100 mm,焦距为50 mm。
测量时,首先将凹面镜置于载物台,且保证CCD摄像机可以捕捉到完整的凹面镜图像。分别投射水平和竖直两个方向的变频条纹图像于凹面镜上,条纹频率按2的幂函数形式变化,即
根据得到的绝对相位分布,可求出LED平板显示器上光源点的空间三维坐标;然后求取被测物面的单位法矢分布,结果如
图 4. 凹面镜有效测量区域的绝对相位分布。(a)立体图(横向条纹);(b)俯视图(横向条纹);(c)立体图(纵向条纹);(d)俯视图(纵向条纹)
Fig. 4. Absolute phase distribution for effective measuring area of concave mirror. (a) Three-dimensional figure (transverse fringe); (b) vertical view (transverse fringe); (c) three-dimensional figure (vertical fringe); (d) vertical view (vertical fringe)
图 5. 凹面镜的单位法矢分布图。(a)立体图(沿x轴分量);(b)俯视图(沿x轴分量);(c)立体图(沿y轴分量); (d)俯视图(沿y轴分量);(e)立体图(沿z轴分量);(f)俯视图(沿z轴分量)
Fig. 5. Unit normal vector distribution of concave mirror. (a) Three-dimensional figure (component along x axis); (b) vertical view (component along x axis); (c) three-dimensional figure (component along y axis); (d) vertical view (component along y axis); (e) three-dimensional figure(component along z axis); (f) vertical view (component along z axis)
采用5次多项式逼近模型表示反射镜面,根据求解得到的逼近多项式系数和物面点在
图 6. 凹面镜测量结果。(a)立体图;(b)俯视图
Fig. 6. Measuring results of concave mirror. (a) Three-dimensional figure; (b) vertical view
由测量结果可得该凹面镜的凹面深度为
由该被测凹面镜已知的几何尺寸,可计算出凹面深度的理论值为
因此,测量得出的该凹面镜的凹面深度与其理论值之间相差0.0339 mm。由该测量结果可推断:所提出的基于相位测量偏折术的镜面物体三维测量方法可行且有效。
5 结论
相位测量偏折术在镜面、类镜面物体的测量方面具有其自身的技术优势,工程实际中往往无法精确控制测量器件在特定的几何位置上,基于相位测量偏折术原理建立和开发的镜面测量系统具有实用性。测量实验证明了所提模型及其标定方法具有可行性,且该方法具有较高的精度。长远来说,该研究领域还存在诸多需拓展和深入的方面,如深度-梯度耦合问题、标定过程智能化、相位多义性问题以及其他误差因素影响等。
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吕蓓婷. 基于相位测量偏折术的镜面物体三维测量[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(3): 031201. Beiting Lü. Three-Dimensional Measurement of Specular Surfaces Using Phase Measuring Deflectometry[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(3): 031201.