基于相位梯度閾值的流水線產品三維面型檢測方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于在線三維面型檢測領域，特別是涉及一種基于相位梯度閾值的流水線 產品三維面型檢測方法。
【背景技術】：
[0002] 在線三維面型檢測屬于動態(tài)檢測的范疇，動態(tài)檢測需充分考慮測量方法的實時 性。條紋投影輪廓術通過投影正弦結構光于被測物體，計算變形條紋相位來獲得物體的三 維信息，該方法具有無接觸、測量精度可觀、操作簡單、測量成本低等優(yōu)點，可用于流水線產 品三維尺寸的在線檢測。
[0003] 條紋投影輪廓術的諸多算法中，傅里葉變換輪廓術（Fouriertransform profilometry，簡稱FTP)常用于動態(tài)測量，其采用傅里葉分析的方法獲取相位信息，具有 全場分析的優(yōu)點，但由于涉及頻域濾波，導致物體面型突變區(qū)域測量精度受到限制。
[0004] 相位測量輪廓術（phasemeasuringprofilometry，簡稱PMP)采用相移技術點對 點計算相位的方法，對背景、對比度和噪聲的變化不敏感，測量精度高。但測量過程中需要 采集至少三幀變形條紋來計算一幀相位信息，動態(tài)測量中物體的運動導致不同條紋圖中物 體像的位置發(fā)生變化，給PMP相位計算帶來誤差。要克服這一問題，不僅要求CCD具有較高 的拍攝頻率，還要求投影設備具有等同的投影切換頻率，美國Iowa州立大學張松等人提出 的實時三維檢測系統(tǒng)可用于在線三維檢測，但對系統(tǒng)硬件有較高要求。
[0005] 四川大學曹益平等人根據流水線產品保持平動的運動特點，提出用像素匹配將物 體位移轉換為條紋相移的方法，解決了不同時刻拍攝到的變形條紋圖物體位置發(fā)生變化的 問題，從而降低了對投影、采集頻率的要求。其中基于Stoilov算法的在線PMP采用計量光 柵傳感器產生觸發(fā)信號來控制CCD拍攝物體等距離移動的變形條紋圖，經像素匹配后將物 體的位移轉化為條紋的相移來計算物體的相位分布。
[0006] 為了降低測量系統(tǒng)控制部分的復雜程度，同時提高解相精度，他們又提出的基于 滿周期等相移算法的在線PMP。該方法投影多幀相移條紋圖，要求物體運動方向與條紋相移 方向垂直，像素匹配后物體運動不產生等效相移，使得采集到的變形條紋圖的相移量等于 投影條紋的相移量，實現相移量人為編碼控制的目的。但在實際測量過程中，很難精確控制 投影條紋的相移方向與物體的運動方向垂直，而不垂直的系統(tǒng)誤差將導致像素匹配后的各 幀變形條紋圖在條紋相移方向產生附加相移量，采用滿周期等相移算法計算相位時引入相 移誤差，降低了相位計算精度。
[0007] 針對上述問題，又提出采用像素匹配獲得任意相移量，采用最小二乘法迭代計算 相位的方法，不僅提高了測量精度，還減少了系統(tǒng)裝置空間位置的約束條件。但最小二乘法 迭代計算相位耗時較長，不利于系統(tǒng)實時性的提高。
[0008] 由上述論述可知，不管是采用傅里葉變換還是采用最小二乘法迭代計算，均沒有 充分考慮三維面型檢測對測量速度與精度要求的平衡性。傅里葉變換輪廓術實時性好，但 測量精度不高，測量誤差集中在被測物體面型的陡變區(qū)域。最小二乘法迭代測量精度高，但 迭代時間長，影響了測量的實時性。
【發(fā)明內容】
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[0009] 本發(fā)明克服現有技術存在的不足，解決了現有技術存在的問題，充分考慮在線三 維面型檢測對測量速度與精度要求的平衡性，提出基于相位梯度閾值的流水線產品三維面 型實時檢測方法。通過傅里葉變換的方法獲得被測物體的整體相位信息，將相位的梯度閾 值作為圖像特征參與相關運算得到相移條紋，對二值化相移梯度圖膨脹得到物體表面陡變 區(qū)域，最后采用最小二乘法迭代計算陡變區(qū)域的相位分布，用于修正FTP的計算結果以提 高相位獲取精度。
[0010] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：基于相位梯度閾值的流水線產 品三維面型檢測方法，檢測過程按照以下步驟進行：
[0011] 步驟1)投影儀投影正弦光柵像于被測物體，CCD采集不同時刻的變形條紋圖；
[0012] 當傳送帶上無被測物體時，CCD不同時刻拍攝到的條紋圖不發(fā)生變化，其光強分布 可表示為：I〇(x，y) =R(x，y) [A(x，y)+B(x，yjcosKx，y)] (I)
[0013] 式中R(x，y)為物體表面反射率，A(x，y)為背景光強，B(x，y)為條紋對比度； <K(x，y)為條紋相位分布；
[0014] 當測量物體隨傳送帶運動時，不同時刻CCD采集到變形條紋圖，其光強分布可表 示為：
[0015] Ii (x,y)=R(x,y)[A(x,y)+B(x,y)cos<i> ； (x,y) ]i=I, 2, . . .M (2)
[0016] 式中巾i(x,y)為物體表面變形條紋的相位分布，物體運動使其像在每幀變形條紋 圖中的位置不同，產生的相位調制的分布也不同，用下標i區(qū)別；M表示拍攝幀數；
[0017] 步驟2)相位獲取與相位修正：
[0018]a、用傅里葉變換的方法計算每幀條紋中物體高度引起的相位變化（J)1 (x，y):
[0019] 對式（2)作傅里葉變換，濾出+1級基頻分量，再作逆傅里葉變換可得：
[0023] 因此由物體高度引起的相位變化為：
[0024] A於=從Lj)--為二二
[0025] 其中l(wèi)m{}表示取復數的虛部，*表示共輒運算；
[0026] b、計算相位變化的梯度，根據梯度變化將物體劃分區(qū)域，得到陡變區(qū)域模板；
[0027]以A小i(X，y)的梯度分布為依據，實現測量物體陡變區(qū)域的劃分，對A小i(X，y) 的梯度進行閾值，得到二值化的相位梯度圖：
[0029]其中grad[ ?]表示梯度運算，T為系統(tǒng)標定值，一般為測量環(huán)境下該類被測物體 的最大梯度的平均值減一小量。
[0030] 然后對A(^1(XJ)進行膨脹，即可得到陡變區(qū)域模板圖Mask1U,y);
[0031]c、對二值化相位圖做相關運算得到物體位移；
[0032] 截取二值化相位梯度圖A 的特征區(qū)域，分別與M幀二值化相位梯度圖做 相關運算，計算最大相關點的坐標差可以得到物體位移；
[0033]d、將物體位移轉換為條紋的相移，得到相移條紋圖；根據陡變區(qū)域模板采用最小 二乘法迭代計算陡變區(qū)域處由物體高度引起的相位變化；
[0034] 將拍攝到的M幀相移條紋圖與其對應的陡變區(qū)域模板相乘，得到陡變區(qū)域條紋 圖：
[0035]Iri(x,y) =Ii (x,y) ?Maski (x,y) (7)
[0036] 相鄰N幀分為一組，對陡變區(qū)域條紋圖進行分組，根據物體位移對條紋圖進行裁 剪，實現各組不同變形條紋圖中物體的像素坐標一致，同時也將物體位移轉換成相移條紋， 將得到的相移條紋圖用最小二乘法迭代的方法計算物體陡變區(qū)域的相位變化；
[0037]e、用陡變區(qū)域相位對式（5)進行修正，提高相位獲取精度；
[0038] 用d中計算出的陡變區(qū)域相位變化替換式（5)中的陡變區(qū)域處的相位變化，提升 相位獲取精度；
[0039] 步驟3)通過系統(tǒng)標定獲得物體的X，Y方向信息，并將相位信息轉換為深度信息Z。
[0040] 本發(fā)明與現有技術相比具有以下有益效果。
[0041] 第一，本發(fā)明提出基于傅里葉變換和最小二乘法迭代相結合的方法獲得被測物體 的三維面型，通過傅里葉變換的方法獲得被測物體的整體相位信息，然后通過對相位信息 進行區(qū)域分割，分為陡變區(qū)域和非陡變區(qū)域，陡變區(qū)域內采用最小二乘法迭代計算相位，用 上述相位替換傅里葉變換方法獲得的整體相位信息中陡變區(qū)域處的相位。傅里葉變換保證 了測量速度，最小二乘法迭代對陡變區(qū)域處進行修正，保證陡變區(qū)域的測量精度。
[0042] 第二，對于物體表面平緩與陡變區(qū)域的劃分，提出通過計算相位梯度，合理閾值膨 脹后得到陡變區(qū)域。
[0043] 第三，對于變形條紋的特征提取，提出基于相位梯度閾值尋找物體陡變邊界的方 法，完成像素匹配相關運算。
【附圖說明】
[0044] 圖1為在線檢測原理圖。
[0045] 圖2為相位獲取和相位修正過程框圖。
[0046] 圖3為被測物體三維面型分布圖。
[0047] 圖4為C⑶拍攝到的其中兩幀變形條紋圖。
[0048] 圖5為計算得到的對應物體高度引起的相位變化。
[0049] 圖6為二值化的相位梯度圖。
[0050] 圖7為三維重建結構圖，其中（a)為FTP三維重建結構，（b)為本發(fā)明三維重建結 構。
[0051] 圖8為對應均方根誤差分布。
【具體實施方式】：
[0052] 如圖1所示，基于條紋投影輪廓術的在線三維面型檢測系統(tǒng)原理為，被測物體隨 傳送帶沿X方向勻速運動，計算機控制數字光投影儀投影正弦光柵像于被測物體表面，投 影儀的光軸PO與CCD的光軸CO交于參考面上的0點，物體的高度會引起條紋發(fā)生形變，即 相位發(fā)生變化，計算條紋的相位變化，即可得到物體的高度信息Z。
[0053] 本發(fā)明基于相位梯度閾值的流水線產品三維面型檢測方法，檢測過程按照以下步 驟進行：
[0054] 步驟1)投影儀投影正弦光柵像于被測物體，CCD采集不同時刻的變形條紋圖；
[0055] 當傳送帶上無被測物體時，CCD不同時刻拍攝到的條紋圖不發(fā)生變化，其光強分布 可表示為：I〇(x，y) =R(x，y) [A(x，y)+B(x，yjcosKx，y)] (I)
[0056] 式中R(x，y)為物體表面反射率，A(x，y)為背景光強，B(x，y)為條紋對比度； <K(x，y)為條紋相位分布；
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