一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法及装置与流程

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法及装置。

背景技术：

基于条纹结构光的物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法是一种非接触式、快速光学三维数字测量方法。现有的基于条纹结构光的物体三维缺陷检测方法主要是针对静态物体三维形貌的测量，即被测物体与测量装置保持相对静止，并不适用于处于定向移动状态下的物体近似平坦表面的缺陷检测。

一方面，静态物体三维形貌的测量中，投影图案为四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案，该投影图案不适用于处于定向移动状态下物体的近似平坦表面的缺陷检测。

另一方面，静态测量中，在相机采集到的四幅物体表面的条纹图上，某一像素点p(u,v)对应于物体上同一世界坐标点pw(x,y,z)，而对于处于定向移动状态下的物体，相机采集到的四幅物体表面的条纹图之间的这一对应关系被打破。

另外，对于定向移动状态下的物体，物体的移动方向不能保证和条纹方向完全一致，总会产生一些偏差，这样，相机采集到的四幅条纹图就不是等步长四步相移图，那么就不能采用“等步四步相移法”解相位。

技术实现要素：

本发明提供一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法及装置，旨在提供一种被测物体处于定向移动状态下的基于条纹结构光的被测物体近似平坦表面缺陷检测方法。

本发明提供了一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法，所述三维缺陷检测方法应用于三维缺陷检测系统，所述三维缺陷检测系统包括：投影仪、相机和基准平面，所述投影仪位于所述基准平面上方，所述相机的光轴与基准平面法向夹角呈45度，所述投影仪用于将预置的投影图案投在所述基准平面上，所述投影图案为一幅由四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的图案，所述三维缺陷检测系统还包括载物装置，所述载物装置上贴有若干特征标记；所述三维缺陷检测方法包括：

步骤s1，将被测物体置于所述载物装置上，调整载物装置的高度，使得被测物体上表面到达指定水平面位置，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述被测物体运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述被测物体从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgobj_0、imgobj_1、imgobj_2、imgobj_3；

以组成投影图案中的四幅条纹图案为四部分条纹区域；所述预先指定位置为四部分条纹区域中的同一相对位置；

步骤s2，结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3；

步骤s3，结合预先获取的非等步相移量序列，并根据非等步长四步相移公式，将所述采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3解调得到折叠相位wrappedphase，并对折叠相位wrappedphase进行展开得到展开相位unwrappedphase；

步骤s4，结合预先标定的不同高度的标准平板的展开相位，对所述展开相位unwrappedphase进行对应深度查找，得到被测物体近似平坦表面相对于基准平面的高度数据。

进一步地，所述步骤s4中，得到标定的不同高度的标准平板的展开相位的过程为：

将标准平板的标准平面从所述基准平面依次升高100次预设高度，测量并记录每次升高预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；并将标准平板的标准平面从所述基准平面依次降低n次预设高度，测量并记录每次降低预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；

其中，所述预设高度为0.05mm。

进一步地，所述步骤s3中，获取所述非等步相移量序列的过程为：

步骤a1，将标准平板调整至基准平面的高度，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述标准平板运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅该时刻的图像，所述标准平板从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgstd_0、imgstd_1、imgstd_2、imgstd_3；

所述步骤s1中，所述指定水平面位置与所述步骤a1中置于所述载物装置上的标准平板上表面所在的水平面位置是同一水平面位置；

步骤a2，结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgstdsmp_0、imgstdsmp_1、imgstdsmp_2、imgstdsmp_3；

步骤a3，对所述采样图像序列分别作傅里叶变换，取变换后频域中的一级谱，对所述一级谱作傅里叶逆变换得到图像序列的展开相位序列phase_0、phase_1、phase_2、phase_3，利用phase_1、phase_2、phase_3分别与phase_0作差，得到非等步相移量序列delta_10、delta_20、delta_30。

进一步地，在所述步骤s1之前，还包括：对相机进行标定，获取所述相机的内部参数；

则在所述步骤s1之后还包括：

利用所述内部参数对相机采集到的四幅图像进行校正，以便利用校正后的所述四幅图像进行辅助采样。

进一步地，所述步骤s3中，所述非等步长四步相移公式为：

其中，x＝i2-i0，y＝i3-i1，而，

其中，in表示条纹图上某点的灰度值，n＝0,1,2,3，r表示被测物体表面不均匀的反射率，a表示在测量情况下环境光造成的背景光强，b表示由投影仪投出正弦条纹在被测物体上的条纹对比度，为被测物体上某点的折叠相位,表示相移量，n＝0,1,2,3。

本发明还提供了一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测装置，所述三维缺陷检测装置应用于三维缺陷检测系统，所述三维缺陷检测系统包括：投影仪、相机和基准平面，所述投影仪位于所述基准平面上方，所述相机的光轴与基准平面法向夹角呈45度，所述投影仪用于将预置的投影图案投在所述基准平面上，所述投影图案为一幅由四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的图案，所述三维缺陷检测系统还包括载物装置，所述载物装置上贴有若干特征标记；

所述三维缺陷检测装置包括：

第一采集模块，用于将被测物体置于所述载物装置上，调整载物装置的高度，使得被测物体上表面到达指定水平面位置，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述被测物体运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述被测物体从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgobj_0、imgobj_1、imgobj_2、imgobj_3；

以组成投影图案中的四幅条纹图案为四部分条纹区域；所述预先指定位置为四部分条纹区域中的同一相对位置；

第一采样模块，用于结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3；

相位重建模块，用于结合预先获取的非等步相移量序列，并根据非等步长四步相移公式，将所述采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3解调得到折叠相位wrappedphase，并对折叠相位wrappedphase进行展开得到展开相位unwrappedphase；

三维缺陷检测模块，用于结合预先标定的不同高度的标准平板的展开相位，对所述展开相位unwrappedphase进行对应深度查找，得到被测物体近似平坦表面相对于基准平面的高度数据。

进一步地，所述三维缺陷检测装置还包括标定模块；

所述标定模块用于预先标定不同高度的标准平板的展开相位，具体用于将标准平板的标准平面从所述基准平面依次升高100次预设高度，测量并记录每次升高预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；并用于将标准平板的标准平面从所述基准平面依次降低n次预设高度，测量并记录每次降低预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；

其中，所述预设高度为0.05mm。

进一步地，所述三维缺陷检测装置还包括非等步相移量序列获取模块，用于预先获取非等步相移量序列，所述非等步相移量序列获取模块具体包括：

第二采集模块，用于将标准平板调整至基准平面的高度，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述标准平板运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅该时刻的图像，所述标准平板从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgstd_0、imgstd_1、imgstd_2、imgstd_3；

所述第一采集模块中，所述指定水平面位置与所述第二采集模块中置于所述载物装置上的标准平板上表面所在的水平面位置是同一水平面位置；

第二采样模块，用于结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgstdsmp_0、imgstdsmp_1、imgstdsmp_2、imgstdsmp_3；

非等步相移量序列计算模块，用于对所述采样图像序列分别作傅里叶变换，取变换后频域中的一级谱，对所述一级谱作傅里叶逆变换得到图像序列的展开相位序列phase_0、phase_1、phase_2、phase_3，利用phase_1、phase_2、phase_3分别与phase_0作差，得到非等步相移量序列delta_10、delta_20、delta_30。

进一步地，所述三维缺陷检测装置还包括内部参数获取模块，用于对相机进行标定，从而获取所述相机的内部参数；所述三维缺陷检测装置还包括校正模块，所述校正模块用于根据获取的内部参数对相机采集的图像进行校正，以便利用校正后的图像进行辅助采样。

进一步地，所述相位重建模块中，所述非等步长四步相移公式为：

其中，x＝i2-i0，y＝i3-i1，而，

其中，in表示条纹图上某点的灰度值，n＝0,1,2,3，r表示被测物体表面不均匀的反射率，a表示在测量情况下环境光造成的背景光强，b表示由投影仪投出正弦条纹在被测物体上的条纹对比度，为被测物体上某点的折叠相位,表示相移量，n＝0,1,2,3。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法及装置，可以对定向移动的被测物体进行近似平坦表面的三维缺陷检测；一方面，采用四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的图案作为投影图案，使得被测物体沿某一方向定向移动时可以进行缺陷检测；另一方面，采用特征标记辅助采样的方法对采集的四幅图像进行处理，解决了被测物体定向移动情况下采集得到的条纹图像之间像素无法对应于同一世界坐标点的问题；另外，本技术是结合预先获取到的非等步相移量序列和非等步长四步相移公式来进行解相位，解决了被测物体定向移动的方向与条纹方向不一致产生的偏差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维缺陷检测系统的硬件结构示意图；

图2是本发明实施例提供的投影图案的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的被测物体定向移动的方向与投影图案条纹方向不一致的示意图；

图5是本发明实施例提供的对定向移动的被测物体近似平坦表面的三维缺陷检测结果的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测装置的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法，所述三维缺陷检测方法应用于三维缺陷检测系统，具体地，所述三维缺陷检测系统是基于条纹结构光的单相机单投影仪的检测系统，如图1所示，所述三维缺陷检测系统包括：投影仪1、相机2和基准平面3，所述投影仪1位于所述基准平面3上方，本发明实施例是将投影仪1设置于所述基准平面3正上方的位置，所述相机2的光轴与基准平面3法向夹角呈45度，所述投影仪1用于将预置的投影图案投在所述基准平面3上，如图2所示，所述投影图案为一幅静止的图案，由四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的一幅图案。

进一步地，所述三维缺陷检测系统还包括标准平板和载物装置，其中，所述标准平板是指上表面为标准平面的平板，本发明提供的检测方法的检测对象是表面为近似平坦表面的被测物体，本发明所检测的被测物体表面的高低起伏即三维缺陷是以标准平板为基准的；所述载物装置用于承载被测物体，所述载物装置上贴有若干特征标记，所述若干特征标记用于在后续的图像采样过程中进行辅助定位。

具体地，本发明在进行三维缺陷检测之前，需要对所述三维缺陷检测系统进行预处理，具体包括：对所述相机进行标定，获取所述相机的内部参数，从而用于对相机采集的图像进行校正；还包括：调整投影图案，使投影图案正投在所述基准平面。

具体地，本发明在进行三维缺陷检测之前，还包括预处理步骤：标定步骤和非等步相移量序列获取步骤。

具体地，所述标定步骤是对标准平板进行基于基准平面的相位标定，具体标定步骤为：标定不同高度的标准平板的展开相位，更具体地，将标准平板的标准平面从所述基准平面依次升高100次预设高度，测量并记录每次升高预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据(如，可以记录升高至基准平面上方5mm处为phase_050)；并将标准平板的标准平面从所述基准平面依次降低n次预设高度，测量并记录每次降低预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据(如，可以记录降低至基准平面下方5mm处为phase_150)；其中，所述预设高度为0.05mm。

具体地，所述非等步相移量序列获取步骤是测量定向移动的标准平板在预先指定的四个位置的非等步长相移量，以用于后续对被测物体进行检测时的非等步四步相移解相位；所述非等步相移量序列获取步骤具体包括：

步骤a1，将标准平板调整至基准平面的高度，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，所述标准平板依次经过投影图案的四部分条纹区域，每当所述标准平板运动至各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述标准平板从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgstd_0、imgstd_1、imgstd_2、imgstd_3；

具体地，以组成投影图案中的四幅条纹图案为四部分条纹区域；所述预先指定位置为四部分条纹区域中的同一相对位置。

具体地，采集到四幅图像后，需要对相机采集的图像进行校正，以便利用校正后的所述四幅图像进行辅助采样。

步骤a2，结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgstdsmp_0、imgstdsmp_1、imgstdsmp_2、imgstdsmp_3；

步骤a3，对所述采样图像序列分别作傅里叶变换，取变换后频域中的一级谱，对所述一级谱作傅里叶逆变换得到图像序列的展开相位序列phase_0、phase_1、phase_2、phase_3，利用后三个展开相位分别与第一个展开相位作差，得到非等步相移量序列delta_10、delta_20、delta_30。

下面具体介绍这种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法，如图3所示，所述三维缺陷检测方法包括：

步骤s1，将被测物体置于所述载物装置上，调整载物装置的高度，使得被测物体上表面到达指定水平面位置，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，所述被测物体依次经过所述投影图案的四部分条纹区域，每当所述被测物体运动至各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述被测物体从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgobj_0、imgobj_1、imgobj_2、imgobj_3；

具体地，所述载物装置用于承载被测物体，被测物体在运动过程中与所述载物装置保持相对静止状态；所述载物装置周围贴有若干特征标记，实际应用时，可采用标志点作为特征标记，用于在后续的图像采样过程中进行辅助定位。

所述步骤s1中，所述指定水平面位置与所述步骤a1中置于所述载物装置上的标准平板上表面所在的水平面位置是同一水平面位置。

具体地，以组成投影图案中的四幅条纹图案为四部分条纹区域；所述预先指定位置为四部分条纹区域中的同一相对位置。

具体地，采集到四幅图像后，需要对相机采集的图像进行校正，并继续进行下面的采样步骤。

步骤s2，结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3；

步骤s3，结合预先获取的非等步相移量序列，并根据非等步长四步相移公式，将所述采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3解调得到折叠相位wrappedphase，并利用空间展开方法对折叠相位wrappedphase进行展开得到展开相位unwrappedphase；

具体地，计算折叠相位wrappedphase的所述非等步长四步相移公式为：

其中，x＝i2-i0，y＝i3-i1，而，

其中，in表示条纹图上某点的灰度值，n＝0,1,2,3，r表示被测物体表面不均匀的反射率，a表示在测量情况下环境光造成的背景光强，b表示由投影仪投出正弦条纹在被测物体上的条纹对比度，为被测物体上某点的折叠相位,表示相移量，n＝0,1,2,3。

具体地，本技术结合预先获取到的非等步相移量序列和非等步长四步相移公式来进行解相位，解决了被测物体定向移动的方向与条纹方向不一致产生的偏差；如图4所示为本发明实验过程中被测物体定向移动的方向与投影图案条纹方向不一致的示意图，其中，被测物体是由电机推动并随载物装置一起运动的。

步骤s4，结合预先标定的不同高度的标准平板的展开相位，对所述展开相位unwrappedphase进行对应深度查找，得到被测物体近似平坦表面相对于基准平面的高度数据。

具体地，即恢复出被测物体近似平坦表面相对于基准平面高度变化的数据。

如图5所示，为本发明对定向移动的被测物体近似平坦表面的三维缺陷检测结果。

本发明还提供了一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测装置，所述三维缺陷检测装置应用于三维缺陷检测系统，所述三维缺陷检测系统包括：投影仪1、相机2和基准平面3，所述投影仪1位于所述基准平面3上方，所述相机2的光轴与基准平面法向夹角呈45度，所述投影仪1用于将预置的投影图案投在所述基准平面3上，所述投影图案为一幅由四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的图案，所述三维缺陷检测系统还包括载物装置，所述载物装置上贴有若干特征标记，所述若干特征标记用于在后续的图像采样过程中进行辅助定位。

具体地，所述三维缺陷检测装置包括预处理模块，所述预处理模块包括：内部参数获取模块和投影图案调整模块，其中，所述内部参数获取模块用于通过对所述相机进行标定，来获取所述相机的内部参数；所述投影图案调整模块用于调整投影图案，使投影图案正投在所述基准平面。

具体地，所述预处理模块还包括标定模块和非等步相移量序列获取模块，其中，所述标定模块用于标定不同高度的标准平板的展开相位，具体用于将标准平板的标准平面从所述基准平面依次升高100次预设高度，测量并记录每次升高预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；并用于将标准平板的标准平面从所述基准平面依次降低n次预设高度，测量并记录每次降低预设高度后标准平面上条纹区域的展开相位，作为标准平板位于此高度处展开相位的标定数据；其中，所述预设高度为0.05mm。

其中，所述非等步相移量序列获取模块具体包括：

第二采集模块，用于将标准平板调整至基准平面的高度，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述标准平板运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述标准平板从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgstd_0、imgstd_1、imgstd_2、imgstd_3；

具体地，相机采集到图像后，需要根据获取的内部参数对相机采集的图像进行校正，以便利用校正后的图像进行辅助采样。

第二采样模块，用于结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgstdsmp_0、imgstdsmp_1、imgstdsmp_2、imgstdsmp_3；

非等步相移量序列计算模块，用于对所述采样图像序列分别作傅里叶变换，取变换后频域中的一级谱，对所述一级谱作傅里叶逆变换得到图像序列的展开相位序列phase_0、phase_1、phase_2、phase_3，利用phase_1、phase_2、phase_3分别与phase_0作差，得到非等步相移量序列delta_10、delta_20、delta_30。

如图6所示，所述三维缺陷检测装置还包括：

第一采集模块1，用于将被测物体置于所述载物装置上，调整载物装置的高度，使得被测物体上表面到达指定水平面位置，并随所述载物装置一起在所述基准平面上沿投影图案的条纹方向运动，每当所述被测物体运动至所述投影图案的各部分条纹区域的预先指定位置时，所述相机采集一幅当前时刻的图像，所述被测物体从进入第一部分条纹区域到移动出第四部分条纹区域的过程中，相机采集到的图像为imgobj_0、imgobj_1、imgobj_2、imgobj_3；

所述第一采集模块1中，所述指定水平面位置与所述第二采集模块中置于所述载物装置上的标准平板上表面所在的水平面位置是同一水平面位置。

具体地，以组成投影图案中的四幅条纹图案为四部分条纹区域；所述预先指定位置为四部分条纹区域中的同一相对位置。

具体地，相机采集到图像后，需要根据获取的内部参数对相机采集的图像进行校正，以便利用校正后的图像进行辅助采样。

第一采样模块2，用于结合所述若干特征标记对所采集到的四幅图像进行辅助采样，得到采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3；

相位重建模块3，用于结合预先获取的非等步相移量序列，并根据非等步长四步相移公式，将所述采样图像序列imgobjsmp_0、imgobjsmp_1、imgobjsmp_2、imgobjsmp_3解调得到折叠相位wrappedphase，并对折叠相位wrappedphase进行展开得到展开相位unwrappedphase；

具体地，计算折叠相位wrappedphase的所述非等步长四步相移公式为：

其中，x＝i2-i0，y＝i3-i1，而，

其中，in表示条纹图上某点的灰度值，n＝0,1,2,3，r表示被测物体表面不均匀的反射率，a表示在测量情况下环境光造成的背景光强，b表示由投影仪投出正弦条纹在被测物体上的条纹对比度，为被测物体上某点的折叠相位,表示相移量，n＝0,1,2,3。

三维缺陷检测模块4，用于结合预先标定的不同高度的标准平板的展开相位，对所述展开相位unwrappedphase进行对应深度查找，得到被测物体近似平坦表面相对于基准平面的高度数据。

本发明提供的一种物体近似平坦表面的三维缺陷检测方法及装置，可以对定向移动的被测物体进行近似平坦表面的三维缺陷检测；一方面，采用四幅大小相同、周期相同、依次相差四分之一条纹周期的条纹图案沿条纹方向组合而成的图案作为投影图案，使得被测物体沿某一方向定向移动时可以进行缺陷检测；另一方面，采用特征标记辅助采样的方法对采集的四幅图像进行处理，解决了被测物体定向移动情况下采集得到的条纹图像之间像素无法对应于同一世界坐标点的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。