一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置制造方法及图纸

正弦条纹相移轮廓术兼顾了精度和速度，已成为工业在线3D检测的主流技术之一，随着检测对象的日益微型化，检测精度要求也日益提高，故而需要能够补偿各种系统误差，这使得系统的标定越来越重要。本发明专利技术公开一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，其包括：S1、对所有相机进行相机标定，建立不同高度下像素坐标和物理坐标关系。S2、投影装置投影参考图案，标定理论投影和实际投影的几何变换。S3，对所有的相机/投影进行相位

【技术实现步骤摘要】
一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置


[0001]本专利技术涉及3D检测
中一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置。

技术介绍

[0002]正弦条纹相移轮廓术兼顾了精度和速度，已成为工业在线3D检测的主流技术之一，随着检测对象的日益微型化，检测精度要求也日益提高，故而需要能够补偿各种系统误差，这使得系统的标定越来越重要。本专利技术专利提出的标定方法及实施装置能够一次性对所有的相机/投影装置进行全面的校准标定，并设计一套适配的标定精度验证方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术通过下述技术方案解决上述技术问题：一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，该装置包括运动控制平台，面阵相机(可以有多个)，投影装置(可以是PZT加上如朗奇光栅、正弦光栅等光栅结构的模拟量投影或者是DMD/LCD/LCOS等数字投影)，若干标定装置(包括相机标定板，投影标定块，带若干个已知高度的凸块的标定块)及上位机(PC，嵌入式系统或者其他逻辑处理单元)。该套装置能够提供一次性的精确、全面的标定，对系统的各种因素进行补偿校准，形成一整套标定参数，虽然过程比较耗时，但是通常只需要标定一次。该方法包括以下。
[0004]S1、在不同高度位置进行相机标定，要实现标定面到像面的相对高度变化，可以上下移动相机，也可以上下移动相机标定板，对于同一个位置，所有相机都需要进行拍摄，最终每个相机生成不同高度位置的标定参数，用于建立像素和物理坐标的映射关系。其中每个高度准确坐标位置是能够精确获取的，可以基于电机定位装置（包含编码器、光栅、磁栅等）获取。上位机需要拟合出像素坐标在不同高度位置的和物理坐标的映射关系。如下公式：(X,Y)=f1(u,v,Z)，其中X，Y，Z代表物理坐标，u，v代表图像像素坐标。
[0005]S2、每个投影机构投射一个参考图案到投影标定块上，所有相机都需要进行拍照取相，用于理论图案到实际投影面的几何变化。
[0006]S3、每个投影装置需要从不同高度位置进行投影，要实现标定面到投影面相对高度变化，可以上下移动投影装置，也可以上下移动投影标定块。每一组投影，所有相机都需要进行拍摄。上位机分别对于每一种投影/相机组合进行投影标定，具体就是对于每组正弦条纹进行计算相位移，计算相对相位，再对相对相位解包裹，然后根据线性/多次项拟合（线性拟合可以采用分段拟合的方式，分段数量n可以由测高范围决定；多次拟合包括但不限于二次项拟合的方式）计算解包裹相位到高度的映射，最终每个投影/相机都会得到一个投影映射参数，如下公式:Φ=f2(u,v,Z)，其中Φ代表解包裹相位，u，v代表图像像素坐标。
[0007]S4、当选择使用单频方法时，会存在相位还原导致的累积误差，为了解决该误差，基于相位的还原路径对所有的投影/相机组进行高度一致性补偿，分配标定块凸块在FOV不同的宫格位置，然后计算凸块的高度，根据正弦条纹光角度
Ø
和图像的中心点(W/2,H/2)建
立标定补偿线L，L的计算公式为：y=x*tan
Ø
+H/2
‑
(W/2
‑
tan
Ø
)，其中W为图像的宽，H为图像的高。求出图像中标定点的位置(u
i
,v
i
)、标定点到标定补偿线L的距离d
i,j
以及测试高度H
i,j
与点实际标准高度H
standard
的比值k
i,j
。以d
i,j
为输入，k
i,j
为输出，建立线性/多次项拟合模型，应用模型展开到整个FOV，更新点在不同FOV中的高度H
i,j
’
。循环执行步骤S6，直到H
i,j
’
和实际高度H
standard
的差值小于预设的阈值精度。
[0008]S5、基于相机标定，相位
‑
高度标定，参考图案标定，高度一致性补偿，每种相机/投影组合将产生4套标定校准参数，把4套参数融合在一起，有多少种投影/相机组合，就有多少套参数，如有3个投影装置，2个相机，就会产生6套参数。
[0009]S6、对每种投影/相机组合进行标定高度验证，标定块多个已知(X,Y,Z)坐标的标定凸块（不同高度的凸块越多，效果越准确）以及一对坐标(X,Y)已知的基准点。首先上位机为基准点和标定凸块分配FOV，基准点和标定凸块需要保证在FOV中间，即(W/2,H/2)位置，FOV的拍摄顺序为先拍摄基准点再拍摄标定凸块，基准点的作用在于补偿标定块的水平偏移。运动控制机构控制整个装置按照指定的FOV顺序进行投影拍摄，最后计算出凸块的(X,Y,Z)位置信息，和实际的坐标进行对比，如果满足容差要求就退出，反之则需要增加取样或者调整参数后重新进行标定。
[0010]其中，步骤S1包括：S7、高度移动的间距可以保持一致，也可以不一致，但必须覆盖整个量测范围。
[0011]其中，步骤S2、S3包括：S8、投影标定块表面平整，既不能吸光也不能发生镜面反射，表面平整度精度要求在正负1um，平整度直接决定了整个3D重建的精度。
[0012]其中，步骤S3包括：S9、相位
‑
高度标定的高度间隔可以和相机标定一致，也可以不一致；在到达理论极限之前，一般间隔越小，精度越高，但是标定速度越慢；一般情况下取测量范围20等分作为高度间隔，以保证标定精度与速度的平衡；理论上相位
‑
高度标定的高度间隔保持一致更能保证精度。
[0013]其中，步骤S4包括：S
10
、考虑到光源本身工作状态不稳定，运动机构振动等随机性干扰因素，实际相位移角度并不会和投影设定的保持一致，并且实际角度会非等间隔补偿，这里需要先求出实际的相位移角度，具体就是每一组正弦相移图像求解调制度，寻找最佳区域，然后基于最佳区域求解相位移，继而计算出相对相位和绝对相位。
[0014]其中，步骤S4包括：S
11
、一组正弦条纹的测高范围取决于使用的方法与实际检测参数（如使用多频率多波长法时，测高范围取决于等效条纹周期宽度），在投影标定的时候不同高度层的绝对相位会出现相位的实际值与理论值相差整数*2π，这时候需要人为的给该层的绝对相位增加或者减小这个差值，以保证绝对相位的分布按照相对高度的大小呈现递增/递减的规律，上位机可以通过计算自动对绝对相位进行补偿，避免因人为的补偿错误导致错误的可能性。
[0015]其中，步骤S5包括：S
12
、输入标定点的测试高度H
k
和H
standard
，可以灵活增加或减少取样点的数量、修改取样点的高度值，提高拟合的精度。支持投影单元单独标定，最大程度适应每个投影单元的特殊性，提高标定精度。模型拟合方式可以支持线性/多次项拟合。线性拟合建议采用分段拟合的方式；多次项拟合建议使用二次项拟合的方式。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，该装置包括运动控制平台，面阵相机，投影装置(可以是PZT加上如朗奇光栅、正弦光栅等光栅结构的模拟量投影或者是DMD/LCD/LCOS等数字投影)，若干标定装置(包括相机标定板，投影标定块，带若干个已知高度的凸块的标定块)及上位机(PC，嵌入式系统或者其他逻辑处理单元)，该方法包括：S1、在不同高度位置进行相机标定，要实现标定面到像面的相对高度变化，可以上下移动相机，也可以上下移动相机标定板，对于同一个位置，所有相机都需要进行拍摄，最终每个相机生成不同高度位置的标定参数，用于建立像素和物理坐标的映射关系；其中每个高度准确坐标位置是能够精确获取的，可以基于电机定位装置（包含编码器、光栅、磁栅等）获取；上位机需要拟合出像素坐标在不同高度位置的和物理坐标的映射关系，如下公式：(X,Y)=f1(u,v,Z)其中X，Y，Z代表物理坐标，u，v代表图像像素坐标；S2、每个投影机构投射一个参考图案到投影标定块上，所有相机都需要进行拍照取相，用于理论图案到实际投影面的几何变化；S3、每个投影装置需要从不同高度位置进行投影，要实现标定面到投影面相对高度变化，可以上下移动投影装置，也可以上下移动投影标定块；每一组投影，所有相机都需要进行拍摄；上位机分别对于每一种投影/相机组合进行投影标定，具体就是对于每组正弦条纹进行计算相位移，计算相对相位，再对相对相位解包裹，然后根据线性/多次项拟合（线性拟合可以采用分段拟合的方式，分段数量n可以由测高范围决定；多次拟合包括但不限于二次项拟合的方式）计算解包裹相位到高度的映射，最终每个投影/相机都会得到一个投影映射参数，如下公式:Φ=f2(u,v,Z)其中Φ代表解包裹相位，u，v代表图像像素坐标；S4、当选择使用单频方法时，会存在相位还原导致的累积误差，为了解决该误差，基于相位的还原路径对所有的投影/相机组进行高度一致性补偿，分配标定块凸块在FOV不同的宫格位置，然后计算凸块的高度，根据正弦条纹光角度
Ø
和图像的中心点(W/2,H/2)建立标定补偿线L，L的计算公式为：y=x*tan
Ø
+H/2
‑
(W/2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟雷，王飞，王志超，杨阳，刘草，佘敏敏，
申请(专利权)人：嘉兴市像景智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：