用于測量三維面形的光學技術

1被測面為面形的光學三維測量自20世紀70年代以來，光學三維測量技術在高精度、高效率和非接觸性方面取得了高速檢測，并在產品質量、質量控制、反射工程、三維測量等領域取得了廣泛應用和發展。但是,現有成熟技術主要針對的是漫反射物體,而難以有效地測量鏡面物體。在工程中,特別是在現代制造業中,存在大量鏡面物體需要測量。例如,汽車工業中,噴涂車身、拋光模具等的表面均是鏡面反射性質。目前,這類零件的測量一般采用兩種辦法:其一,采用坐標測量機等接觸式測量設備,速度較慢。其二,噴涂其表面,改變其反射特性為漫反射后用光學方法測量,這種方法削弱了光學測量方法的非接觸優點。事實上,鏡面物體的光學三維測量技術研究已嚴重滯后于需求的快速增長。制約其發展的主要難點是鏡面物體同漫反射物體在反射模型上存在較大差異。圖1(a)是鏡面反射示意圖,圖1(b)是漫反射示意圖。鏡面反射時,光束的反射方向取決于入射方向和物體表面法線方向。這將造成反射光線不能保證被圖像采集系統所捕捉。即使捕捉到反射光線,被測鏡面物體的面形數據也嚴重依賴于物面的法向信息,使測量變得極其困難?，F有的鏡面物體光學三維測量技術,主要分為主動式和被動式兩大類測量方式。其中,被動測量以“基于光度學的測量技術”和“從鏡面反射成分恢復面形技術”為代表。主動測量主要是采用結構光測量技術,包括:(1)點結構光掃描技術;(2)光帶掃描技術;(3)面結構光技術。這些技術主要針對特定目標的測量,并且大多都只能獲得較低的測量精度。將分類介紹現有的鏡面反射面形光學三維測量技術的基本原理及其特點。2動態測量2.1對面形的測量被動測量方式采用非結構照明方式,由視覺系統接收來自場景發射或反射的光能量。被動式測量鏡面物體三維面形的典型代表是光度學技術,光度立體法是其中的一種重要方法,該方法采集在不同光照條件下的多幅圖像,利用反射圖和反射模型從圖像的灰度信息恢復物體的面形。圖2是光度立體學的原理圖,其中圖2(a)是其空間布置圖,圖2(b)是不同位置的光源照明下采集的圖像。Woodham最早提出用于測量漫反射物體的光度立體法,只需要三個點光源照明就可以求解物體面形。一些學者從該方法出發,提出了測量鏡面物體的方案。例如Ikeuchi用三點擴展光源照射鏡面物體,在被測物體空間方位和光源位置已知的條件下,建立圖像灰度值與光源輻射能量之間的映射關系,通過該映射關系求解物面方向(surfaceorientation)。該方法對圖像灰度測量的精度要求較高,這將直接影響到物面方向的求解精度。Coleman和Jain以及Solomon和Ikeuchi均在其裝置中采用了四點光源順序照射物體以測量面形,該技術的關鍵是分析反射中是否存在鏡面反射成分,并設定閾值去除該成分,再利用傳統的光度立體法計算物面方向。不同于上述方法,從圖像明暗恢復面形技術是從一幅圖像中的灰度信息計算物面方向?；谠撛?Babu等用鏡面反射模型估計鏡平面物體的表面方向,該方法的關鍵是由圖像的光強等高線分布估計反射模型參數,利用這些參數與物面方向之間存在的映射關系求解物體的表面方向。該方法適合測量簡單面形的鏡面物體。獲得物面方向信息后,從已知深度的物面上一點開始,對局部表面法矢求積分就可以得到同一目標其他點的深度值。光度立體法和從圖像明暗恢復面形技術都需要關于物體表面性質、光源位置等先驗知識,因此實用性受到很大的限制。2.2對面形的檢測測量鏡面物體時往往會出現高光(highlight)等特殊的視覺和物理特征,這些特征統稱為鏡面反射成分(specularity)。已有不少學者利用鏡面反射成分的特性重建鏡面物體的三維面形。結構化高光技術(structuredhighlighttechnique)是針對高光分析的一種技術,該方法的基本原理是采用空間方位已知的多點光源照明,由位置固定的攝像機采集帶有高光的圖像。通過光源的順序照明,獲得高光點和光源之間的對應關系。由光源方向和攝像機方向計算出鏡面物體的物面方向。多點光源照明可以保證獲取整個鏡面物體的面形信息,如Nayar等采用了127點光源。這一技術主要被用于檢測印刷線路板焊點的特征,難以得到精細的三維重建結果。另外,有一些學者提出從運動高光恢復鏡面物體面形(shapefrommovinghighlights)。該技術的關鍵是辯識鏡面反射成分。當視點移動時,紋理等特征相對于其所在物面是靜止的。與之不同,高光將隨著視點的移動而在鏡面物體表面移動。由于攝像機的空間位置一般很難精確控制,故一般讓攝像機固定,而控制待測物體平動和旋轉。Zheng等將被測物體放在轉臺上使其旋轉,連續采集不同時刻的圖像記錄物體的運動信息。通過分析多幅圖像中高光點的總體運動規律可以定性區分鏡面物體的面形形狀。利用高光點的運動軌跡,通過微分方程和線性方程組的求解可以直接獲取物體面形。光的偏振分析也是實現鏡面物體三維重建的重要手段。光線發生鏡面反射后將發生偏振。反射光線通過方向不同的偏振鏡后的強度不但是變化的,而且光強是偏振鏡角度的正弦分布。Umeyama等通過ICA(independentcomponentanalysis)算法可以精確的分辨出鏡面反射和漫反射成分。而Megumi等只需找出正弦光強分布的最大值和最小值,來計算偏振強度(degreeofpolarization)。而由光線的入射角與偏振強度間的映射關系可以方便地計算出光線入射角,從而得到物體的表面法矢信息。3結構光技術的應用主動式測量是指測量系統向待測物面發射能量,然后接受其反射而實現測量。其中,結構光技術是一種應用較為靈活的技術。根據所采用的光源形式,主要有點結構的激光掃描技術,線結構的光帶掃描技術,全場方式的面結構光技術。根據面結構光的編碼方式的不同又可分為圖案編碼和相位編碼,后者一般稱為條紋投射技術。3.1掃射面為平面的時域測量方式激光以其高亮度和具有良好方向性的特點常被用于物體的三維測量。針對鏡面物體,Ryo和Cho采用了圖3所示的測量裝置。該裝置采用了激光作為掃描光源,通過電流計掃描部件精確控制出射光線的方向,對目標物體進行逐點掃描。光線經物面反射后由拋物面鏡會聚到分布于拋物面鏡中心柱面上的圖像傳感器陣列上,會聚光線的方向由圖像傳感器測量。由會聚光線方向和已知的入射光線方向,通過復雜的空間關系計算物面上每一點的法線方向,再由數值積分運算獲取物面分布。該裝置原理簡單,入射光線和反射光線的對應關系清晰。但測量系統一次只能測量一個物面點的法線方向,測量效率較低。3.2激光儀成像技術傳統的激光測距儀可以有效地用于測量漫反射物體,面形三維坐標的計算僅僅依賴于圖像中像素的位置。而鏡面物體測量不能滿足這一條件,圖像具有嚴重的多義性。為了解決這一問題。Baba等設計了一種新型的激光測距儀,圖4是其光路示意圖。該裝置采用遮擋板(ShieldMask)保證反射光線以相同角度進入攝像機中成像,這樣就簡化了建立空間坐標和像素坐標之間映射關系的難度。通過相對簡單的映射關系式便可由激光光帶變形所帶的三維信息計算鏡面物體的面形。3.3物面法線增強和成像模型逆向跟蹤編碼圖案投影法對投影圖案進行空間編碼,能夠大大提高測量速度。例如Seulin等用結構光動態掃描金屬零件表面以檢查曲面缺陷,其系統裝置如圖5所示。對結構光源進行二值編碼,通過這種特殊的照明系統,物體表面的缺陷可以用圖像中黑色背景上的一系列亮點來表征。該技術中物體面形由物面法線表示,而求解物面法線的關鍵是獲取圖像像素對應的光源出射點,這可以由圖6的照明和成像模型逆向跟蹤每一條反射光線實現。另外應用某些特殊圖樣對光源編碼,通過對光源和圖像之間進行區域相關性匹配運算也可建立像素點和光源出射點之間的對應關系。例如Kiyasu等采用了M排列編碼對鏡面多邊形體的面形進行了重建,其測量精度可以達到1mm。編碼圖案投影法中,匹配像素和光源出射點的算法比較復雜,往往通過對物面面形和照明成像模型增加一定的約束來簡化難度,造成測量精度不高,應用范圍有限。3.4基于條紋交流相移的位相分布測量鏡面物體三維面形的條紋投射技術仍然以相位測量法原理為基礎,但是在測量系統上與測量漫反射物體明顯不同。這類技術的關鍵是如何將位相分布轉化為物體面形分布,但是其間映射關系嚴重依賴物面法線方向。圖7是反向反射輪廓術(retroreflectivemetrology)的兩種典型裝置,這兩種裝置中都會產生反向反射過程:經物面一次反射的光線經過一塊面積較大的反向反射屏幕再次反射后將光柵投射到物面上。攝像機可拍攝變形條紋圖像,其位相信息同物面的傾角存在一定的映射關系,計算出的物面傾角通過積分過程獲得面形分布。所不同的是圖7(a)裝置采用點光源,用傅里葉算法從單幅條紋圖中獲得位相分布,而圖7(b)裝置中的投影機可以實現相移,可以由相移算法計算相位分布,這將提高位相計算的精度。該方法主要用來測量類平面鏡面物體的面形,測量深度一般小于10μm。圖8的裝置是將顯示器屏幕(包括計算機液晶平板顯示器屏幕等)作為投影設備。Perard等以貝塞爾曲線多項式擬合被測曲面,從而為計算物面曲率提供了足夠的約束條件,這一方法的計算過程較為復雜。Hung等認為光柵條紋的變形是物面的梯度變化所造成的,通過一個在線標定操作確定位相與物面梯度的映射關系,求解梯度后以數值積分方法求解面形,該技術操作相對簡單。上述的幾種方法都使用了積分過程,只能得到近似的映射關系,精度有限。為了避免數值積分計算,Yamamoto等采用條紋變頻技術,投射兩種不同方向的光柵條紋(如圖9)獲得兩幅變形光柵圖像,用相移算法分別計算出兩次投射的位相分布。對于每個像素點可以從兩次投射中獲得的位相尋找出投射參考光柵平面中的對應點。將一個空間坐標已知的物面點作為迭代過程的初始條件,計算出圖像所有像素對應的物面點的空間坐標。另外Yamamoto等為了測量面形變化大的物體如橢球鏡、非球面鏡等,采用了圖10中兩個半徑不同的圓柱形光柵,是一種非平板投射形式。圓柱光柵半徑的改變造成條紋投射裝置在特定方向上的運動,由位相計算出面形分布。這種方法為解決映射關系復雜性提供了一種很好的思路。4光學三維測量技術鏡面物體的光學三維測量在工程中有著廣泛的應用,但其仍然是一個尚未完全解決的難題?，F系統地評述了鏡面反射物體三維信息測量過程中所用到的各種光學方法及基本原理。通過分析可知:現有鏡面物體的光學三維測量技術的原理較為分散,許多