薄壁零件測量系統研究實現

應冬梅 郭陽寬

摘要：針對薄壁機械零件設計了基于面結構光的三維視覺測量系統。搭建硬件系統并采用系統標定、四步相移和時間相位展開等關鍵算法實現對零件的三維重建。實驗結果表明通過該系統獲得零件各參數的方案具有高準確性。

關鍵詞：面結構光;四步相移;時間相位展開;三維重建

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0182-02

0 引言

大多數的機械零部件測量方式為接觸式測量，不僅存在檢測速度慢、精度低、人工成本高等問題，測量方式也具有主觀性的測量誤差，嚴重時可能對零部件表面造成難以預計的損傷。并鑒于機器視覺檢測技術具有高效率、高精度、高實時性、高穩定性等優點[1]，本文設計了基于面結構光的三維視覺[2]測量系統。

1 系統總體設計和系統構建

系統總體設計如圖1所示。主要由工業相機、投影儀、固定支架、計算機組成。投影儀投射四副不同頻率的光柵條紋圖至零件上，工業相機采集經零件表面調制變形的條紋圖并運用四步相移算法和時間相位展開算法對其進行相位提取和展開，根據相機和投影儀標定參數實現對零件的三維重建。

2 算法設計

系統軟件結構設計為六大模塊，如圖2所示。

本文采用相移法，投影光強是標準余弦分布。相移圖案每次移動2π/N的相位，產生一個新的光強函數In（x，y），平移N-1次，獲得N幅相移圖案。四步相移法[3]是將投射的相移圖案每次平移π/2，平移三次。如圖3所示。

I1（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

I2（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+π/2]? ? ? ? ? ? （2）

I3（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+π]? ? ? ? ? ? ? ?（3）

I4（x，y）=I'（x，y）+I''（x，y）cos[φ（x，y）+3π/2]? ? ? ? ? ?（4）

其中Ii（i=1，2，3，4）為第i幅相移圖案的條紋灰度值。I'（x，y）為光強的背景值，I''（x，y）為調制光強值，φ（x，y）為所求的相位值。

式（1）-式（3）得：I1（x，y）-I3（x，y）=2Bcosj（x，y）? ? ? ? ? ? （5）

式（2）-式（4）得：I4（x，y）-I2（x，y）=2Bsinj（x，y）? ? ? ? ? ? （6）

由式（5）和（6）得：j（x，y）=arctan（）? ? ? ?（7）

求出的j（x，y）為截斷相位，如圖4和圖5所示。

由上述求出的截斷相位要得到連續分布的相位絕對值（x，y）就必須要對它的主值相位進行展開。

本文所采取時間相位展開算法如下：（x，y）=2nπ+j（x，y） （8）

通過時間相為展開算法獲得連續相位值后，根據物相轉換關系得到零件的高度信息，根據相機標定參數得到零件二維坐標信息，通過點云濾波、處理等過程獲得理想的點云圖像并導入SolidWorks實現三維重建和尺寸測量。

3 系統搭建與測試

搭建了整體硬件系統后，圖6是四步相移圖案至測量零件表面采集的變形條紋圖;圖7的三幅圖分別是軟件處理得到的點云圖、濾波后點云圖以及獲得的零件三維圖。

4 結語

本文研究實現了對薄壁零件三維測量系統的硬件系統搭建和軟件算法編寫，實現了對薄壁零件的三維測量，并且基于面結構光的單目視覺測量系統結構簡單，成本低，有望應用于其它物品的三維檢測。只是算法優化有待進一步完善，以進一步確保檢更高的精度。

參考文獻

[1] 楊潔，李樂.基于機器視覺的表面粗糙度測量與三維評定[J].光學技術，2016，42（06）：491-495.

[2] ZHANG G，WEI Z.A novel calibration approach to struc-tured light 3D vision inspection[J].Optics & Laser Tech-nology，2002，34（5）：373-380.

[3] 王秀鵬.基于面結構光的航空零部件三維測量和精度檢測[D].華中科技大學，2012.

Research and Realization of? Mechanical Parts Measurement System

YING Dong-mei，GUO Yang-kuan

（Key Laboratory of? Beijing for Optoelectronic Measurement Technology， Beijing Information Science

and Technology University， Beijing? 100192）

Abstract：A 3D visual measurement system based on surface structured light is designed for mechanical parts. The 3D reconstruction of the parts is realized by the key algorithms such as system calibration， four-step phase shift and time phase expansion. The experimental results show that the scheme of obtaining the parameters of the parts by the system has high accuracy.

Key words：surface structured light; four-step phase shift; time phase UNWRAPPING; three-dimensional reconstruction