3D检测技术研究

1、3D视觉检测技术,目录,研究背景 物体三维测量方法的分类 光栅投影法测量原理 关键技术介绍 3D视觉检测的国内研究小组,3D视觉检测技术在工业生产控制与检测、机器视觉、空间遥感、医学诊断以及社会安全等领域具有重要意义和广泛应用前景； 在工业生产领域主要应用于容器中拣取零件、机床上的工件装卸以及包装和焊接等； 国内生产装备水平比较高的工厂，如一汽大众、上海大众等，先进的三维测量仪器设备几乎全部进口。,物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测量仪(CMM，Coordinate Measuring Machine)；,非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量；,特点

2、：测量精度高，对被测物的色泽无特殊要求；对使用环境要求高，测量速度慢。,特点：非接触、速度快、精度适中。,测量原理 投影装置将一个被周期函数调制的光栅条纹场投射在被测物体的表面，由于物体表面高度的变化，各点的光栅条纹的相位发生了偏移，由测量系统的光路结构中相位偏移量与表面高度的关系，可以由相位求解出物点的三维坐标。,假设投影光栅为矩形光栅，在参考面上光栅周期为 0 ， 0 又称光栅节距。设点(x,y)在摄像机图像上成像于像点(m,n)。未放置被测物体时，在摄像机方向观察，看到的参考面上原始光栅图像的均匀光栅灰度函数可以表示为 , = = exp( , ) 式中， , 是参考面上光栅图像灰度分布

3、， , 是参考面上初始相位分布， , 是图像坐标系， 是光栅分布的系统参数。 当被测物体置于参考面上，原始光栅产生变形，其均匀光栅灰度函数可以写为 , =(,) = exp( , ) 式中 , 是变形光栅图像灰度分布， (,)表示物体表面的非均匀反射率， , 是变形光栅图像的相位。,将光栅投影到被测物体表面，由于受到调制而发生变形，表现为对于像点(m,n)，参考面上有B点移动到A点，对应于相位由 移到 ，移动的距离 其中 , = 为相位差。,如果投影到参考面上的光栅为正弦光栅，则原始和变形光栅像上的均匀光栅灰度函数可分别写成 式中 , 为条纹光强的背景值， , 为调制光强， (,)表示物体表面

4、的非均匀反射率。, , = , + , cos , , =(,) , + , cos , ,= 0 (,) 2,投影装置和参考面的位置关系满足：参考面OXY平行于投影面。根据三角形相似原理 有 由于参考面OXY平行于投影面，Y轴平行于光栅方向，所以参考面上相位沿着X轴的方向变化，即对OXY面上任一点（X,Y），设其相位为，有 式中， 0 为原点的相位， 0 为光栅节距，即参考面上，沿X轴，相位变化1周期对应的长度。,物高与相位差的关系推导, = = (1),= 0 2 0 (2),摄像机和参考面位置关系满足： ,即摄像机的Y轴平行于参考面的Y轴，满足这个关系才能保证当物点P位于空间中任一位置时

5、，它在OXY平面上的投影都能一致地如右图所示，满足各种三角关系。 摄像机光心与投影中心线平行于参考面。 则 联合（1）和（3）得 式中， 为系统参量。, = = (1), = = (3), = + + = + = + 4,由式（2）得 式中， 0 为光栅节距，通过标定获得； 、 分别为A、B点的相位值。 将式（4）代入（5）整理得物高与相位差的关系：, = + 2 0 (6),、 0 为系统参量，标定时得到； 为光栅在参考平面上的基准相位值，也是在标定时得到的。,= 0 2 0 (2),= 0 2 (5), = + + = + = + 4,通常采用相移法，而四步相移法是最常用的相移法之一。 主

6、要原理： 通过精确移动投影光栅，使光栅条纹图像的相位场移相，得到四幅条纹图像，各图像可表示为：, , = 0 , + , cos , + , i=1,2,3,4,式中，i表示第i次相移， , 为第i幅相移图上 , 点的灰度值， 0 , 为条纹图背景值， , 为调制强度函数， , 为待求相位场， 为第i幅图的相移值。令相移分别为 1 =0， 2 = 2 ， 3 =， 4 = 3 2 ，得到,tan(,)= 4 , 2 (,) 1 , 3 (,),对上式求反正切，可得相位值。,相位的获得,1、结构光编码技术 2、条纹图像的解相位技术 3、标定技术 4、三维重建技术,关键技术-结构光编码技术,相移法

7、(Phase Shifting)：利用投影多幅光栅图像(每两幅光栅之间有确定的相位差)来获得相位。相移法是目前公认的最有效、最可靠的方法，其实质是在时间轴上的逐点运算。由于采用多幅图像由光强得到相位，计算量少，并且图像的阴影区容易分离，具有一定的抗静态噪声能力。但是因为投影的光栅条纹图较多，因此不能用于动态测量，目前也有人提出了一种两步相移三维轮廓测量方法。 正交相乘莫尔法：利用计算机产生两幅与投影光栅条纹图有相同空间频率但相位差为x2的参考光栅图，然后分别与投影光栅条纹图相乘得到两幅莫尔图，在时域滤波滤去高频分量，就可以求得相位。这种方法对背景的非均匀性比较敏感，而且条纹的空间频率容易产生失

8、配，从而引起较大误差。 傅立叶变换法：对投射在物体表面的变形光栅条纹进行傅立叶变换，在频域滤波得到一级频谱，然后反傅立叶变换求得相位；傅里叶变换法是一种常用的三维轮廓测量方法，由于其具有速度快的特点，自提出以来就受到广泛关注。,关键技术条纹图像的解相位技术,常用的相移法比较分析,关键技术标定技术,视觉系统的标定就是建立相机坐标系和机器人为基准的大世界坐标系之间的映射关系，将图像处理后得到的目标工件的位姿信息转换为机器人动作的姿态参数。,根据标定板的类型不同分为 立体标靶和平面标靶,立体标靶的制作过程及其复杂，许多研究人员将立体标靶改进为平面标靶。,在线自标定技术 是一个研究热点,其原理是利用拍摄视野中的特定点、线和圆弧等标定目标，在此基础上建立标定求解方程组，使其在系统处理的过程中就已经完成像机的自标定过程。,根据运动状态分为 自标定和在线标定,关键技术三维重建技术,三维重建的主要技术要求应满足： 逼真度：重建出的效果应尽可能地接近原始物体； 实时性：在最短时间内获得最佳效果； 鲁棒性：即重建算法应满足不同类型的数据，无论是光滑区域还是棱角特征明显的区域，均能得到较好的剖分及重建效果，而不会在某些局部产生空洞。,三维重建技术是把离散的三维数据信息连接成三维实体或表面。,