基于相移輪廓術快速三維檢測系統研究

王建興

（閩江學院物理與電子信息工程學院 福建省福州市 350108）

三維檢測技術主要分為接觸式檢測和非接觸檢測兩大類[1]。在工業上，目前接觸式檢測方法漸漸被非接觸式檢測技術淘汰。光學三維檢測技術特點主要是通過光線照射到物體表面，然后通過漫反射和反射得到物體的表面信息的三維空間坐標點。光學三維檢測技術包括：立體視覺法、飛行時間法、莫爾條紋法、傅里葉變換輪廓術和相移輪廓術等。

相移輪廓術的原理是通過計算多張以上背景的連續相位與物體的連續相位之間的差值，然后通過測量的數據再計算出物體的高度信息。該方法在是通過計算每一個點的光強信息再去轉化為相位信息，因此不會受到背景光的影響，從而能解決高反光的問題。

本文應用HALCON 算子來進行標定和測。HALCON 包含了多達1400 個圖像處理算子，其中包括了數學與幾何變換、濾波、形態學計算和色彩分析、分類、辨識、校正、形狀搜索等等基本的幾何圖像計算功能[2]。

1 基于相移輪廓術的三維檢測的原理

本文采用交叉光軸法去搭建測量系統。如圖1 所示。

相移術根據拍攝N 幀光柵圖像稱為N 步相移法，本系統采用四步相移法，簡單來說就是通過投影4 幀圖片，對應的δ 為π/2。則φ(x,y)計算如式2 所示，該方法在檢測速度上不遜于三步相移法，且相應的提高了準確性。

因為相位值φ(x,y)是通過反正切函數計算得到的，相位值是被包裹在(-π,π)區間中，需要進行相位展開。計算的公式為，左邊的表示是k 點展開之后的相位信息，右邊的代表的是k 點的包裹相位信息，而nk則表示的是k 點在包裹相位的相位級次信息。 次級的nk信息一般采用鄰域查找法[1]，即比較nk與nk-1之間像素的相位差，如果該相位差的值大于π，則次級的值減去1；反之，若相位差的值小于-π，則該次級的值加1。設k 點相位次級為nk，k+1 點的相位次級為nk+1，它們之間有如下的關系：

圖1：相移法檢測原理圖

圖2：軟件流程

至此得到了所有的未知量，只要將已知量和未知量都代入計算，求得物體的高度信息。但是由于相機的畸變等硬件方面的誤差，還有各個部件擺放位置不夠精確等因素，可能會導致最后得到的結果誤差較大，所以還需要對相機進行標定，來形成一個較為準確而真實的高度分布結果。

2 基于HALCON的相移輪廓術快速三維檢測系統

2.1 軟硬件系統

圖3：被調制后的狐型面具

圖4：光柵背景圖

圖5：縱向包裹相位圖

圖6：縱向解包后的相位圖

本文的軟件系統主要由MATLAB 生成光柵圖像、光柵的投影、圖像的采集、圖像的預處理、圖像包裹相位的獲取、圖像連續相位的獲取、求解出相位差、相似三角形對比、高度信息的獲取等九個部分組成，結合HALCON 進行快速相機的標定，然后用MATLAB計算出最終的結果。具體的步驟流程如圖2 所示。

本實驗搭建的檢測系統的硬件由一臺數字式投影儀、一個CCD 相機及鏡頭、一臺計算機、一個測量模型和一塊標定板組成。投影儀型號為LG HW300G - JE，分辨率為1200*800，亮度300 流明。通過投影儀將在計算中通過MATLAB 編程生成的正弦光柵圖像投影到被測物體上。CCD 相機通過USB3.0 與電腦連接去采集圖像。CCD 相機型號為MER-132-30UC，接口是USB3.0，分辨率1292"964，像素尺寸3.75um，全分辨率最大幀率30 幀每秒，支持GENICAM 接口，可以直接連接HALCON 軟件，是一款適用于工業檢測的高性價的相機。

2.2 圖像的采集和預處理

主要步驟如下：

（1）調用open_framegrabber 算子去打開型號為MER-132-UC的CCD 相機。

（2）接著調用grab_image_start 算子去獲取句柄。

（3）然后調用grab_image_async 獲取句柄中的圖像。

（4）使用rgb1_to_gray 算子把采集到的圖像轉化成灰度圖像。

（5）使用gen_rectangle1 算子畫出一個ROI。

（6）配合reduce_domain 算子切割ROI，排除其他干擾。

（7）調用write_image 算子把處理好的圖像保存在計算機中。

（8）最后調用close_framegrabber 算子關閉計算機對相機的連接。

拍攝后處理好的4 幅手模型的圖像。如圖3 所示。

使用相同的方式去拍攝4 幅背景圖像。如圖4 所示。

2.3 求解出包裹相位和解包裹

打開MATLAB 軟件，然后在編輯器內使用如下步驟：

（1）使用imread 函數讀入4 幀背景圖像，并保存在變量中。

（2）使用imresize 函數對讀入的圖像進行雙線性插值，入參為bilinear。

（3）使用double 函數將其轉化為雙精度型數據，并且使用size 函數獲取圖像的大小M 和N。

（4）使用atan2 函數反正切函數將計算出背景的包裹相位。

（5）使用unwrap 函數先對物體進行列解卷，然后再將得到的結果進行行解卷，最后得到背景的連續相位數據。

重復以上步驟，對物體進行連續相位的求解得出相位展開。如圖5 和圖6 所示為包裹相位與解包后的相位對比：

最后使用解包裹后的圖像相位矩陣矩陣減去解包裹后的背景圖像相位矩陣，得到相位差矩陣。接著使用相似三角形原理，求解出物體的高度信息。加上平面二維信息，得到空間點云坐標，應用距離公式計算出空間尺寸，從而實現檢測。

3 結論

本文研究了基于相移輪廓術的三維檢測技術，重點探討了四步相移法的原理和實現過程。對高反光的物體進行了檢測，在檢測的精度和速度上都達到了比較理想的結果，證明了使用HALCON 進行標定結合光柵投影的三維檢測方法的可行性和有效性，在各種工業檢測上有著很廣闊的應用場景。

但是本系統仍舊存在一些不足之處。本系統進行多次不同環境下的檢測，發現背景全黑的情況下，只通過投影儀投影的光柵，經相機采集后的圖像會較為清晰，實驗的結果較為理想。雖然說相位輪廓術通過相減的方式去處理圖像信息，本身不會受環境光的影響，但是因為無論是投影光還是自然光投射到物體上后，會在物體邊緣產生陰影，這一部分陰影會對實驗的結果造成誤差，目前只能通過背景全黑的情況下去解決，解決的手段過于單一。